Elektrische blaue Triebwerke, die BepiColombo zum Merkur treiben.

Mitte Dezember beginnen die Zwillingsscheiben an der Unterseite eines Kleinbus-Raumschiffs im Weltraum blau zu leuchten. In diesem Moment wird die Mission BepiColombo in Europa und Japan dem Merkur einen entscheidenden Schritt näher gekommen sein.

In dieser Woche werden die vier Triebwerke des Solar Electric Propulsion System, auf das BepiColombo vertraut, während des Fluges in Betrieb genommen und getestet, um den innersten Planeten zu erreichen. Dies ist der erste Bordbetrieb des leistungsstärksten und leistungsstärksten elektrischen Antriebssystems, das bisher auf einer Raumfahrtmission geflogen wurde.

Jedes Triebwerk und die dazugehörigen Leistungsverarbeitungs- und Durchflusskontrollgeräte werden mit voller Leistung getestet, um sicherzustellen, dass keine negativen Auswirkungen auf den Start aufgetreten sind, was in den ersten Operationen mit zwei Triebwerken gipfelt – der Konfiguration, die während des größten Teils der Mission verwendet werden soll.

Ihr erster Routineschuss ist für Mitte des nächsten Monats geplant, und das Antriebssystem wird drei Monate lang kontinuierlich betrieben, um die Trajektorie des Raumschiffs für die lange Reise zum Merkur zu optimieren.

BepiColombo, das am 20. Oktober im europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana gestartet wurde, steht vor einer anderen Herausforderung als die bisherigen planetarischen Wissenschaftsmissionen der ESA: Es steuert nach innen, zur Sonne, nicht nach außen und muss an Geschwindigkeit verlieren, anstatt sie zu gewinnen.

Wie alle Objekte im Sonnensystem befindet sich das Raumschiff im Sonnenorbit und bewegt sich senkrecht zum Zug der Sonnengravitation. BepiColombo muss daher durch eine Reihe von Bremsmanövern und Vorbeiflügen langsamer werden, wodurch es anfälliger für die Schwerkraft der Sonne wird und sich näher an das Herz des Sonnensystems winden kann.

Der vom elektrischen Antriebssystem erzeugte Schub dient dazu, das Raumfahrzeug zu verzögern oder in einigen Fällen zu beschleunigen, um seine Bremsvorbeiflüge effektiver zu gestalten. Nicht weniger als neun planetarische Vorbeiflüge an der Erde (einmal), der Venus (zweimal) und dem Merkur selbst (sechsmal) sind erforderlich, um das multimodulare Raumschiff in sieben Jahren in eine Umlaufbahn um Merkur zu bringen.

Raumschlepper

Der Abschnitt des Quecksilbertransfermoduls des Raumfahrzeugs, der das Antriebssystem enthält, ist im Wesentlichen ein leistungsstarker „Raumschlepper“. Seine Aufgabe ist es, alle aktiven Flugbahnkontrollmanöver durchzuführen, die erforderlich sind, um die anderen Teile des BepiColombo-Stapels – den Mercury Planet Orbiter der ESA und den Mercury Magnetospheric Orbiter Japans – in den Quecksilberorbit zu transportieren.

Die hohe Leistung des Antriebssystems in Bezug auf die Kraftstoffmenge, die die Triebwerke benötigen, ist entscheidend. Inertes Xenon-Gas wird in die Triebwerke eingespeist, wo zunächst Elektronen von den Xenon-Atomen entfernt werden. Die dabei entstehenden elektrisch geladenen Atome, die sogenannten Ionen, werden dann fokussiert und über ein Hochspannungsgittersystem mit einer Geschwindigkeit von 50 000 Metern pro Sekunde aus den Triebwerken ausgestoßen.

Diese Abgasgeschwindigkeit ist 15-mal höher als bei herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken, was eine drastische Reduzierung der Treibmittelmenge ermöglicht, die zur Erreichung der Mission erforderlich ist.

„Das Antriebssystem wandelt den Strom, der von den beiden 15 m langen Solarzellen des Quecksilbertransfermoduls erzeugt wird, in Schub um“, erklärt der ESA-Elektroantriebsingenieur Neil Wallace.

„Bei voller Leistung wird ein Schub entwickelt, der dem Gewicht von drei 1-Euro-Münzen entspricht, was bedeutet, dass die Triebwerke über lange Zeiträume hinweg feuern müssen, um effektiv zu sein, aber ohne Widerstand und unter der Annahme, dass Sie geduldig sind, sind die möglichen Manöver und die zu tragende Nutzlast dramatisch.“

Elektrifizierender Antrieb von Raumfahrzeugen

Die vier T6-Triebwerke, um die herum das solare elektrische Antriebssystem konzipiert ist, haben ein jahrzehntelanges Erbe. QinetiQ in Großbritannien – früher die britische Defence Evaluation and Research Agency und zuvor das Farnborough Royal Aircraft Establishment – erforscht seit den 1960er Jahren den elektrischen Antrieb.

Der erste Flug ihrer Technologie erfolgte mit dem T5-Triebwerk mit einem Durchmesser von 10 cm, einem Schlüsselelement der ESA-Mission GOCE aus dem Jahr 2009, bei der der Satellit über drei Jahre lang auf der Spitze der Erdatmosphäre umherfliegen konnte, während er durch die diffuse Atmosphäre auf der für die Mission benötigten beispiellos niedrigen Umlaufhöhe blätterte.

Die vergrößerten T6-Triebwerke haben einen Durchmesser von 22 cm, was für die höheren Anforderungen an Schub und Lebensdauer der BepiColombo-Mission erforderlich ist. Und im Gegensatz zu den T5 von GOCE sind diese T6-Triebwerke manövrierfähig, dank der von RUAG Space in Österreich entwickelten kardanischen Systeme.

„Es sind clevere Mechanismen, die das Systemdesign ein wenig erschweren – alle elektrischen Kabel und Leitungen müssen eine bewegliche Grenze überschreiten – aber viel zur Leistung beitragen“, ergänzt Neil. „Sie stellen sicher, dass sich der Schubvektor einer ein- oder doppelmotorigen Zündung durch den Schwerpunkt des Raumschiffes kreuzt, der sich mit der Zeit ändert, wenn das Treibmittel verbraucht wird.“

Die Steuerung des Thrusters erfolgt über zwei Power Processing Units, deren Architektur so ausgelegt ist, dass sie das Abfeuern von zwei T6s gleichzeitig auch bei einer Systemanomalie unterstützt und so den maximalen Schub von 250 mN gewährleistet.

Intelligenz injizieren

„Die Intelligenz des Systems für den autonomen Triebwerksbetrieb kommt von diesen Power Processing Units – beigesteuert von Airbus Crisa in Spanien“, erklärt Neil, „die die geregelten Spannungen und Ströme an die Triebwerke liefern, basierend auf Anweisungen der Bodenkontrolle über den Bordcomputer des Raumschiffs.“

Die anderen Schlüsselelemente sind die ebenfalls von den PPUs überwachten Durchflusskontrollgeräte für Treibgase und das Hochspannungs-Elektrokabel. Die FCUs stellen sicher, dass die korrekten Xenongasströme zu den Strahlrudern geleitet werden und wurden von Bradford Engineering in den Niederlanden entwickelt, um programmierbare Durchflussmengen zu ermöglichen.

Die verschiedenen Elemente des Antriebssystems wurden individuellen und umfangreichen Leistungs- und Qualifikationstests unterzogen, die schließlich in einer Reihe von Tests am QinetiQ-Standort Farnborough abgeschlossen wurden.

Prüfzeiten

Die Konfiguration der Raumfahrzeuge und die extreme Natur der Mission BepiColombo – die unter thermischen Bedingungen funktionieren muss, die dem Einsatz in einem Pizzaofen ähneln – erforderten oft ähnlich extreme Testszenarien, die die solare elektrische Antriebstechnik und die Testeinrichtungen an ihre Grenzen bringen.

„Ein wichtiger Test zu Beginn des Programms war es, sicherzustellen, dass zwei Triebwerke über einen längeren Zeitraum ohne schädliche Wechselwirkungen in unmittelbarer Nähe betrieben werden können“, ergänzt Neil. „Sie erwiesen sich als bemerkenswert tolerant gegenüber einander, ohne messbare Auswirkungen.“

Eine der größten Ironien der Qualifikation für BepiColombo, die sich in Sonnennähe bewegt, waren die extremen Tiefsttemperaturen der Ionenstrahler.

erklärt Neil: „Trotz der Tatsache, dass die Mission zum Merkur geht, beschattet der Großteil der Raumschiffe die Triebwerke für sehr lange Zeiträume, und wenn sie nicht in Betrieb sind, kühlen sie natürlich auf Temperaturen ab, die weit unter denen liegen, die in der Vergangenheit getestet wurden. Wir mussten beweisen, dass sie sich einschalten und innerhalb der Spezifikation arbeiten würden, wenn sie auf minus 150 C gekühlt würden.

„Es war ein bemerkenswertes Zeugnis für die Robustheit der Technologie, dass selbst nach Temperaturen, die ausreichen, um das Xenon in den Rohren einzufrieren, die Triebwerke in der Lage waren, zu starten und einwandfrei zu funktionieren.“

Ende der Reise

Das Antriebssystem ist für seine Steuerung und Kontrolle auf den Bordcomputer des Merkur-Planetenorbiters angewiesen, so dass es selbst nicht funktionieren kann. Sein letztendliches Schicksal ist abzulehnen, wenn sich der dreimodulige BepiColombo-Stapel trennt, bevor er in den Merkurorbit eintritt, um die Sonne auf unbestimmte Zeit in der Nähe des Planeten zu umkreisen und die beiden Wissenschaftsmodule zur Arbeit gehen zu lassen.

„An einem Punkt während der Planung der BepiColombo-Mission wurde das Merkur-Transfermodul geplant, um den Planeten zu beeinflussen“, kommentiert Neil, „eine Art Wikinger-Beerdigung, die für uns alle Ingenieure passend schien“.

Die Technologie der Ionenstrahler wird jedoch ein Leben weit über BepiColombo hinaus haben, wobei kommerzielle Anwendungen in der Entwicklung sind und in Zukunft noch anspruchsvollere ESA-Wissenschaftsmissionen auf diese Technologie angewiesen sein werden.

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