Raumfahrt: Minimundus

Der österreichische Weltraumtechniker Martin Tajmar baut die kleinsten und präzisesten Raketentriebwerke der Welt und ebnet damit den Weg zu einer neuen Klasse von Wissenschaftssatelliten.

Sein Weg in die Weltraumtechnik war von Anfang an vorgezeichnet. Denn der heute 32-jährige Physiker Martin Tajmar hatte schon als Schüler der Höheren Technischen Lehranstalt für EDV-Betriebstechnik in Wien die ersten Miniaturtriebwerke gebaut. Gemeinsam mit seinem Physiklehrer suchte er nach Erklärungen für die von Albert Einstein in der Theorie beschriebenen Phänomene des Universums. Als junger Physikstudent erkundigte er sich bei der österreichischen Weltraumbehörde ASA brieflich nach allen Vorlesungen, die in Österreich zum Thema Weltraum angeboten wurden. Die Vorlesung über „Elektrische Weltraumantriebe“ an der TU Wien besuchte er bereits im dritten Semester. Seine Diplomarbeit und seine spätere Dissertation schrieb Tajmar zum Thema Ionentriebwerke, einem Gegenstand, dem auch Forschungsaufenthalte am NASA Jet Propulsion Laboratory in den USA und am ESA-Forschungszentrum in den Niederlanden gewidmet waren. Im Jahr 2000 übernahm der Techniker im Forschungszentrum Seibersdorf die – damals kurz vor der Einstellung stehenden – Entwicklungsarbeiten im Bereich Ionenquellen und elektrische Weltraumantriebe.

Mit ein wenig Glück könnte Tajmar nun bald seinen ersten, von ihm federführend mitentwickelten Weltraumantrieb auf die Reise schicken. Vor Kurzem erhielt seine Arbeitsgruppe – gemeinsam mit einem italienischen Forscherteam – von der europäischen Weltraumbehörde ESA den offiziellen Auftrag, ein Präzisionstriebwerk zu bauen. Zusammen mit Astrium Space Transportation, der führenden europäischen Raumfahrtindustrie, sollen die Seibersdorfer einen von zwei Prototypen für die Mission „LISA Pathfinder“ bauen. Es ist dies ein Kooperationsprojekt von ESA und NASA, dazu gedacht, die Technologie für das Folgeprojekt „Laser Interferometer Space Antenna“ („LISA“) zu testen. „Tajmars Gruppe verwendet eine viel versprechende Technologie“, sagt Giuseppe Racca, der verantwortliche ESA-Projektmanager. „Wenn die Prototypen halten, was sie versprechen, haben sie gute Chancen, auch auf die Satelliten zu kommen.“

Die von Tajmar entwickelten „Ionentriebwerke“ sind so etwas wie hoch technisierte Wunderkerzen, die durch Ausstoß elektrisch geladener Teilchen hauchzarte, dafür aber präzise regulierbare Schubkräfte erzeugen. Ihre Feuertaufe hat die neue Technologie bereits bei der ersten ESA-Mondmission „Smart 1“ bestanden. Eine im Jahr 2003 vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana gestartete Ariane-Trägerrakete brachte die Sonde ins All. Von seinen Ionentriebwerken langsam beschleunigt, holte der Minisatellit in 331 spiralförmigen Erdumkreisungen Schwung für den Flug zum Mond. Nach Erfüllung einer ganzen Reihe wissenschaftlicher Forschungsaufgaben zerschellte die Sonde im vergangenen September auf dem Erdtrabanten.

Forschungssatelliten. Die nun von den Seibersdorfern gebauten, viel kleineren neuen Mikrotriebwerke sollen eine bisher nicht gekannte Präzision erreichen. „Sie werden eine neue Klasse von Forschungssatelliten ermöglichen, die sowohl für die Astronomie als auch für die physikalische Grundlagenforschung interessant sind“, sagt Wolfgang Baumjohann, Direktor des Grazer Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Vor allem würde die neue Präzisionstechnik den exakten Formationsflug von Satelliten ermöglichen und damit die Voraussetzung für den Aufbau neuartiger Observatorien im All schaffen. Beim LISA-Projekt beispielsweise sollen drei Satelliten mithilfe der ultrapräzisen Mikrotriebwerke derart bewegungslos im Weltraum positioniert werden, dass erstmals das durch Gravitationswellen hervorgerufene hauchzarte Vibrieren des leeren Raumes mithilfe von Laserstrahlen vermessen werden kann. Dieses von Albert Einstein bereits 1916 vorausgesagte Phänomen entsteht, wenn etwa Sterne in einer Supernova explodieren oder zwei Schwarze Löcher in einem Energieausbruch von unvorstellbarer Dimension miteinander verschmelzen. „Diese kosmischen Großkatastrophen lassen das ganze Weltall sanft erzittern“, sagt der Gravitationsphysiker und LISA-Projektleiter Karsten Danzmann vom Albert Einstein Institut in Hannover. „Man könnte diese Erscheinung mit Schallwellen vergleichen, nur dass bei Gravitationswellen nicht Luft, sondern der leere Raum gedehnt und gequetscht wird.“ Mithilfe von Tajmars neu entwickelter Technik soll LISA ein neuer „Horchposten“ im Weltraum werden, der den Forschern eine neue Art von „Gravitationswellen-Astronomie“ ermöglichen würde.

Die Präzision, die dafür notwendig ist, ist atemberaubend. Um das Quetschen und Dehnen des leeren Raumes mithilfe von Laserstrahlen vermessen zu können, muss sogar der Druck von Sonnenstrahlen, der die Sonden in ein leichtes Driften versetzt, permanent durch Mikrotriebwerke austariert werden. Der bei einem Satelliten-Abstand von fünf Millionen Kilometern akzeptierte Toleranzbereich beläuft sich auf einige wenige Atomdurchmesser.

Bis vor wenigen Jahren wurde diese Präzision noch für unmöglich gehalten. Denn selbst die kleinsten Raketentriebwerke waren noch um Klassen zu stark, um Satelliten derart punktgenau steuern zu können. Das Präzisionskunststück soll jetzt durch die Ionenantriebe bewerkstelligt werden, die von Experten auch „Field Emission Electric Propulsion“ – kurz „FEEP“ – genannt werden. Das Kernstück der Seibersdorfer Entwicklung ist dabei keine zwei Zentimeter groß. Als Brennstoff dient Indium, ein Metall, das bei 156 Grad Celsius schmilzt. Benetzt das flüssige Indium eine dünne, unter einer Spannung von 6000 Volt stehende Nadel aus Wolfram, dann werden aus dem Metallfluid Ionen herausgerissen, die in dem starken elektrischen Feld auf mehr als 30.000 Kilometer pro Stunde beschleunigen. Auf diese Weise wird die bläulich leuchtende Ionenquelle zu einem elektrischen Mikrotriebwerk, das eine hauchzarte, präzise regulierbare Schubkraft erzeugt. Dabei lässt sich der Schub derart exakt steuern, dass eine minimale Kraft entsteht – das Äquivalent des millionstel Gewichts eines Reiskorns.

Tajmar ist überzeugt, das dieses Bravourstück der Präzisionssteuerung mit seinen Ionentriebwerken besser gelingt als mit jedem anderen, denn, so seine Begründung, „in ihnen steckt die Entwicklungsarbeit von 40 Mannjahren“.

Parallel zu Tajmars Entwicklung testet die ESA noch einen weiteren Ionenantrieb. Dieser stammt aus der italienischen Triebwerksschmiede Centrospazio in Pisa und unterscheidet sich von Tajmars Technologie unter anderem dadurch, dass als Treibstoff nicht Indium, sondern Cäsium verwendet wird. Weil der Schmelzpunkt von Cäsium bei nur 28,5 Grad liegt, wäre dieser Antrieb energiesparender, meint ESA-Missionsmanager Racca. Aber so wie Tajmars Entwicklung müsse auch der italienische Antrieb erst zeigen, ob er mit absoluter Präzision und Verlässlichkeit arbeiten kann.

Welches Triebwerk seine Qualitäten im Weltraum demonstrieren darf und damit die Chance hätte, bei der LISA-Mission zum Einsatz zu kommen, wird nach den Tests der Prototypen voraussichtlich Mitte nächsten Jahres entschieden. Tajmar ist zuversichtlich, dass sein Antrieb zum Zug kommen wird. „Wir haben die Technologie schon einem Langzeittest unterzogen. Während das italienische Triebwerk nach 1800 Betriebsstunden funktionsuntüchtig wurde, überstand unser Antrieb einen Dauertest von 4800 Betriebsstunden unbeschadet. Das ist eine weltweit bisher unübertroffene Leistung.“ Von Tajmar entwickelte Prototypen wurden auch schon von der NASA zu Forschungszwecken angekauft.

Gefragte Experten. Dass die Seibersdorfer gefragte Experten für Ionenantriebe sind, hat sich in der Vergangenheit wiederholt gezeigt. So wirkte Tajmar bei der „Smart 1“-Mission im Bereich Qualitätschecks mit. Mithilfe von Simulationsprogrammen konnte der Österreicher zeigen, wie sich der Ionenstrahl mit dem Rest des Satelliten und vor allem mit seinen Solarzellen „verträgt“. Ein weiteres, von den Seibersdorfern gemeinsam mit der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickeltes Gerät erlaubt es, einen Satelliten im Weltraum zu „erden“, um ungestört ultrapräzise Plasmamessungen in der Umgebung des Satelliten vornehmen zu können. Das ist übrigens ein Prinzip, das von Franz Viehböck auf seiner Austromir-Mission im Jahr 1991 getestet wurde. „Derzeit sind einige Forschungssatelliten im Weltall, die diese Technik verwenden“, sagt der Grazer Weltraumexperte Wolfgang Baumjohann. „Sie sind im Prinzip einfache Indiumkerzen, die als Vorläufer der jetzigen Triebwerke gelten können.“

Mittlerweile denken die Seibersdorfer Weltraumforscher bereits über weitere Projekte nach, nachdem neu entwickelte Ionentriebwerke bei einer Reihe künftiger Projekte benötigt werden. Denkbar wäre etwa der Einsatz des Präzisions-Ionenantriebs für den Formationsflug von Teleskopen. Gelingt es nämlich, im Weltraum eine kleine Spiegelarmada mit einer Genauigkeit von 0,000000001 Millimetern auf ein und denselben Punkt auszurichten, dann ließe sich auf diese Weise ein riesiges Präzisionsteleskop im All etablieren. Mit diesem Werkzeug könnten Astronomen mit einer um den Faktor 1000 verbesserten Auflösung auf die Suche nach erdähnlichen Planeten gehen oder Aufnahmen von Galaxien in bisher unerreichter Schärfe produzieren. Sowohl ESA wie auch NASA arbeiten an derartigen Projekten. So wie das LISA-Projekt sollen diese Vorhaben im Weltraum aber erst in neun bis zehn Jahren realisiert werden.

Präzise Ionenantriebe könnten zudem auch für künftige Erdbeobachtungsmissionen eingesetzt werden, die ebenfalls eine extrem genaue Positionierung erfordern. „Das ist vor allem für das Aufspüren von Rohstoffen wie Erdgas interessant, bei dem das Gravitationsfeld der Erde im erdnahen Orbit vermessen wird“, sagt Tajmar. Gut möglich, dass die Weltraumbehörden aber nicht nur wegen dieser Projekte wieder bei Tajmar anklopfen. Denn der Triebwerksspezialist und seine Mitarbeiter haben mittlerweile nicht nur das präziseste Ionentriebwerk, sondern auch eine Fülle anderer Technologien im Repertoire. So arbeiten die Wissenschafter nicht nur an Mikroturbinen für fliegende Drohnen, sondern erforschen beispielsweise auch, wie man das Antriebsmittel Wasserstoff platzsparend in Telekommunikationssatelliten unterbringen kann.

Mittlerweile haben sie auch das kleinste chemische Raketentriebwerk der Welt gebaut. Dieses wird mit „grünen“ Treibstoffen wie etwa Wasserstoffperoxid betrieben, einem Blondierungsmittel, das in jeder Drogerie erhältlich ist. Das im Auftrag der ESA entwickelte Aggregat ist zehnmal kleiner als andere Triebwerke dieser Art und arbeitet mit einer wesentlich höheren Treibstoffeffizienz. Es könnte laut Tajmar bei Marsmissionen eingesetzt werden, wo dort genommene Proben, die Spuren von Leben enthalten könnten, einen besonders sensiblen Umgang erfordern, der bei der Giftigkeit herkömmlicher Treibstoffe nicht gewährleistet wäre. Ob sich Tajmar mit seinen Entwicklungen gegen die internationale Konkurrenz durchsetzen wird, ist bei all seiner Expertise im Bereich Präzisionsantriebe auch aus einem anderen Grund nicht sicher. Tajmar: „Wer die großen Aufträge bekommt, hängt nicht nur vom Können ab. Da haben wir einen entscheidenden Nachteil. Österreich ist keine Raumfahrtnation.“

Von Norbert Regitnig-Tillian