Wissenschaftler entwickeln Simulationssoftware für Raketentechnik

Forscher der Universität Greifswald arbeiten an einem Simulationspaket für das Ionentriebwerk HEMPT. In dem Projekt steht vor allem die Wechselwirkung der austretenden Ionen mit dem Satelliten im Mittelpunkt. Durch eine komplexe Simulationssoftware soll sowohl der Schub als auch die Lebensdauer des Ionenantriebs für Satellitenmissionen optimiert werden.

Das „Hocheffizienz-Mehrstufen-Plasma-Triebwerk“ (HEMPT) des Geschäftsbereichs Electron Devices von Thales Deutschland aus Ulm wurde 1998 patentiert. Ionentriebwerke werden unter anderem zur Steuerung von Satelliten außerhalb der Erdatmosphäre oder als Antrieb für Missionen im Sonnensystem eingesetzt. Das Projekt wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) über drei Jahre mit insgesamt 800’000 Euro gefördert.

Ionenantriebe arbeiten wie herkömmliche Raketentriebwerke nach dem Rückstoßprinzip. „Um den Rückstoß zu maximieren müssen schwere Teilchen den Antrieb mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit verlassen. Chemische Antriebe haben da eine begrenzte Austrittsgeschwindigkeit. Werden jedoch geladene Teilchen verwendet, so können sie mit Hilfe von elektrischen Feldern zu weit höheren Geschwindigkeiten beschleunigt werden,“ so Projektleiter Ralf Schneider, Professor für Computational Physics am Institut für Physik der Universität Greifswald.

Als Quelle für diese Teilchen wird im Inneren des Ionenantriebs in einem Entladungskanal ein Plasma erzeugt. Das ist ein ionisiertes Gas, das aus elektrisch geladenen Teilchen, den Ionen und Elektronen, besteht. Diese geladenen Teilchen erzeugen im Plasma eigene elektromagnetische Felder. „Die Kunst ist nun durch Optimierung zusätzlicher Magnetfelder und des Plasmas die maximale Beschleunigung der Ionen zu erreichen, allerdings ohne Schädigung der Wände des Entladungskanals oder anderer Satellitenteile durch die austretenden Teilchen,“ erklärt Professor Schneider die Herausforderung.

„In dem Grundlagenforschungsprojekt verfolgen wir das langfristige Ziel, ein anwenderorientiertes Computerprogramm zu entwickeln, das aufwendige und kostspielige Langzeittests von Ionenantrieben ersetzt, so wie es zum Beispiel schon heute für Windtunnel oder Crashtests in der Autoindustrie allgemein üblich ist,“ sagt Norbert Püttmann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. Und Projektleiter Jürgen Schulze vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Bereich Raumfahrtmanagement, Technik für Raumfahrtsysteme und Robotik ergänzt: „Diese Art der Förderung von Grundlagenforschung bringt auch einen Gewinn für die Wirtschaft, da durch ein besseres Verständnis physikalischer Prozesse Leistungsparameter verbessert und Kosten beim Einsatz der Triebwerke verringert werden können.“

Es ist bereits das zweite Vorhaben, das durch das DLR auf diesem Gebiet gefördert wird. „Im ersten Projekt konnte unser Unternehmen mit Hilfe dieser Simulationen wichtige Prozesse im Entladungskanal verstehen. Dies ermöglichte eine zielgerichtete Optimierung des HEMPT in Bezug auf Schub und Lebensdauer des Triebwerks und Winkelverteilung der austretenden Teilchen“, so Dr. Martin Schirra vom Geschäftsbereich Electron Devices von Thales Deutschland in Ulm.

In der Arbeitsgruppe von Professor Schneider, der bis 2011 noch am Institut für Plasmaphysik IPP in Greifswald arbeitete, werden schon seit einigen Jahren Methoden aus der Fusionsforschung für die Simulation von Plasmaantrieben genutzt. Es hatte sich gezeigt, dass Probleme, die Fusionsforschungsanlagen limitieren, auch für Ionenantriebe wichtig sind. Genannt seien als Beispiele Mikroturbulenzen und der daraus resultierende erhöhte Transport der Plasmateilchen oder die Schädigung von Wänden durch auftreffende Plasmateilchen.

Bild: HEMPT Mockup. Ausstellungsstück vom HEMPT-Thruster Module, voll repräsentativ, Maßstab 1:1, mit Hochspannungsmodul sowie verbaut in der Stromversorgung ‚PSCU‘ der Fa. Astrium. Fotograf: Benjamin van Reijen