In Partnerschaft mit dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart wird NSS die Basistechnologien entwickeln, die für die Erschließung Hochleistungs-Raumfahrtmissionen erforderlich sind. Die Fähigkeiten zukünftiger Raumfahrzeuge sind von der verfügbaren elektrischen Energie abhängig, welche wiederum verwaltet und genutzt wird. Auf Grund deren hoher Stromtragfähigkeit und Kompaktheit bieten Supraleiter die ideale Lösung leichten und energieeffizienten Raumfahrzeugen zu entwickeln.

Das Leistungsproblem

Masse und Leistung sind zwei kritische Parameter, denn: Jede Komponente muss gewichtsoptimiert werden, um die Startkosten zu minimieren, während die verfügbare Leistung meistens begrenzt ist. Diese beiden Parameter sind eng miteinander verbunden; leistungsfähigere Raumfahrzeuge sind größer und benötigen mehr Energie. Das Hochleistungsproblem im Weltraum ergibt sich aus der inhärent hohen Masse und der Ineffizienz der Subsysteme, die diese Leistung verwalten. Folglich können Missionen, die eine hohe Leistung erfordern, wie z.B. Frachtmissionen und bemannte interplanetare Missionen, derzeit nicht mit vertretbaren Kosten und technischem Aufwand realisiert werden. Ein neuer Ansatz ist erforderlich.

Supraleiter bieten die Lösung für dieses Dilemma. Da sie kaum elektrischen Widerstand leisten, können sie bis zu 100-mal mehr Strom pro Flächeneinheit ohne Verluste leiten als herkömmliche Technologien. Dazu sind HTSL-Kabel wesentlich leichter und kompakter als Kupferkabel, was insbesondere bei höheren Leistungen zu Massen- und Volumeneinsparungen führt.

Traditionell mussten Supraleiter auf sehr niedrige Temperaturen (<20 K) gekühlt werden. 1986 wurden Supraleiter mit kritischen Temperaturen über 77 K, dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, entdeckt – daher die Bezeichnung „Hochtemperatur-Supraleiter“. Ihre Fähigkeit, bei höheren Temperaturen ohne Widerstand zu leiten, reduziert drastisch die Anforderungen an die Kühlsysteme, die erforderlich sind, um die Betriebstemperatur zu halten.

Fortschrittliche Antriebssysteme

Bei größeren Raumfahrzeugen werden chemische Systeme aufgrund ihres geringen spezifischen Impulses (Isp) und des dadurch zu hohen Treibstoffbedarfs unbrauchbar. Eine bessere Option ist der elektrische Hochleistungsantrieb (EP), bei dem allerdings sowohl hoher Schub als auch hoher Isp von der Effizienz des Leistungssystems abhängt. Die stärksten derzeit fliegenden EP-Systeme haben eine Leistung von 5 kW, was problematisch ist, da mehrere Triebwerke erforderlich sind.

Bei bestimmten EP-Technologien, wie dem fremdfeldbeschleunigten Magnetoplasmadynamischen Antrieb (AF-MPD), hängt der Wirkungsgrad stark von der angelegten Magnetfeldstärke ab, die durch herkömmliche Kupferspulen begrenzt ist. HTSL-Draht-Spulen erreichen einen Technologiesprung, indem sie die Spulenmasse reduzieren und die Magnetfeldstärke erhöhen, beides um den Faktor 4, sowie die Leistungsaufnahme um zwei Größenordnungen reduzieren.

Derzeitige EP-Systeme sind teuer, kaum skalierbar und begrenzt im Betriebsbereich. AF-MPD-Triebwerke dagegen sind das Gegenteil davon, da sie das normalerweise verwendete Xenon mit Argon und Ammoniak ersetzen, welche halb so viel kosten. Trotz jahrelanger internationaler Forschung haben letztere Systeme nur wenige Flugmissionen erlebt, da sie noch zu schwer, stromfressend und kurzlebig sind.

SUPREME (SUPerconductor-based Readiness Enhanced Magnetoplasmadynamic Electric- Propulsion) wird derzeit von NSS und dem IRS Stuttgart entwickelt. Basis ist das SX3-Triebwerk, ein AF-MPD-Prototyp der 100kW-Klasse, der am IRS betrieben wird. Das Triebwerk hat über 150 Betriebsstunden und Schubwirkungsgrade von 62% erreicht - vergleichbar mit derzeit fliegenden EP-Systemen; dazu ist er ähnlich funktionabel wie Hohlkathoden und optimierte Treibstoffeinspritzmechanismen im Hochspannungsbetrieb.

Atmosphärische Eintritts-Abschirmung

Um den beim atmosphärischen Eintritt auftretenden hohen Wärmestrom zu begegnen, werden Wärmeschutzsysteme eingesetzt. Diese sind teuer und aufwendig herzustellen, anfällig für Beschädigungen während des Starts und bieten keine Lösung für den Funkausfall während des Eintritts. Hier kommen wieder HTSL ins Spiel.

Durch die Erzeugung starker elektromagnetischer Felder werden die Wärmeflüsse auf die Außenhaut erheblich reduziert und es entsteht ein "magnetisches Fenster", durch das die Funkverbindung ungestört bleibt. Erforderlich sind mehrere Tesla an magnetischer Feldstärke. Kürzlich hat die EU die Finanzierung des MEESST-Konsortiums (Magnetohydrodynamic Enhanced Entry System for Space Transportation) bewilligt, woran NSS und das IRS arbeiten. Das Projekt wird eine HTSL-Magnetspule für den Einsatz in Eintritts-Abschirmungsanwendungen entwerfen, bauen und testen.

Fortgeschrittene Missionskonzepte

Frachttransfers von mehreren Dutzend Tonnen Ladung zwischen der Erde und dem Mond/Mars werden einen wichtigen Teil der Weltrauminfrastruktur bilden und Hochleistungs-EPs sind die einzige wirtschaftliche und technisch umsetzbare Lösung für deren Durchführung. Sehen wir uns beispielsweise den Einsatz von HTSL in einer 1MW-Mission an, welche eine 100 Tonnen schwere Nutzlast vom erdnahen Orbit zum Mond befördert, so würde man signifikante Verbesserungen zeichnen. Mitunter 7% mehr Nutzlastmasse, 50 Tonnen weniger Startmasse und eine Einsparung von bis zu 320 Mio. Euro.

Handlungsaufruf

Die gemeinsame Nutzung von HTSL und AF-MPD-Triebwerken bieten die Antwort auf jene Probleme, die die Einführung von Hochleistungs-Weltraummissionen mit sich bringen. HTSL sind mittlerweile eine bewährte Technologie mit industriellem Reifegrad, die dazu bereit ist, in Raumfahrtanwendungen eingesetzt zu werden, was wiederum durch eine starke Erfolgsbilanz bei terrestrischen Anwendungen unterstützt wird. Jetzt ist es an der Zeit, dass die Raumfahrtindustrie die Technologie anerkennt und ihre positiven Eigenschaften entsprechend nutzt, um die nächste Generation von Hochleistungs-Raumfahrtmissionen zu ermöglichen.

Ansprechpartner:
Manuel Adolfo La Rosa Betancourt

Neutron Star Systems UG

Technologie

• Plasma - Elektroantrieb
• Hochtemperatur Supraleiter
• AF-MPD

Innovation / USP

• Günstigere Treibstoffe (Argon, Wasserstoff, Ammoniak)
• Skalierbarkeit (1 kW – 1000 kW)
• Leicht, effizient, kompakt Elektroantrieb
• Drosselbarkeit

Zielmärkte

• Raumfahrt

www.neutronstar.systems

Abbildung 1: Triebwerksfahne des SX3 Steady-State AF-MPD-Triebwerksprototypen am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart. © Georg Herdrich and Adam Boxberger, Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart

Abbildung 2: Weltraumanwendungen von Supraleitern. © Denis J. Connolly, Robert R. Romanofsky, Paul Aron and Mark Stan, OPPORTUNITIES FOR SUPERCONDUCTIVITY IN FUTURE SPACE EXPLORATION PROGRAMS: (A HYDROGEN ECONOMY FOR THE 21ST CENTURY) NASA, Lewis Research Center Cleveland, Ohio 44135)