Raumsonden 
- schneller zum Ziel mit neuen Antrieben

 
Kaum ein Zweig der Raumfahrt erbringt so viele spektakuläre Ergebnisse wie die Planetenforschung mit unbemannten Raumsonden. Fast alles, was wir heute über die Nachbarplaneten der Erde wissen, verdanken wir „Spährobotern" wie „Gallileo", „Ulysses" „Voyager" oder „Mars Global Surveyor". Kaum ein Zweig der Raumfahrt erfordert aber auch so viel Geduld: Es vergehen in der Regel mehrere Jahre, bis die Raumsonden das Ziel ihrer Mission erreicht haben.
Der Grund: Die heute üblichen chemischen Raketen entwickeln für sehr kurze Zeit sehr hohen Schub. Damit eignen sie sich vorzüglich dazu Flugkörper z. B. in eine Umlaufbahn um die Erde zu bringen. Weniger eignen sie sich für interplanetarische Reisen, zumal die Nutzlast sehr begrenzt ist, womit der Treibstoff für Kurskorrekturen und Bremsmanöver entsprechend knapp ist. Eine interplanetarische Missionen ähnelt einem Gewehrschuß, denn fast die gesamte Beschleunigung wird beim Start erbracht. Dieser Anfangsimpuls reicht nur für „kosmisches Schneckentempo". Damit würde ein Flug zum Jupiter auf einer ökonomischen Flugbahn, einer sogenannten Hohmann-Ellipse, etwa 2 ¾ Jahre beanspruchen - und ein Flug zum Pluto mehrere Jahrzehnte.
Um überhaupt nennenswerte Nutzlasten in erträglichen Zeiträumen zu den äußeren Planeten bringen zu können, nutzen die Missionsplaner den „Swing-By-Effekt". Eine in das Gravitationsfeld eines Planeten „hereinfallende" Sonde gewinnt bei ihrer Annährung an den Planeten Geschwindigkeit. Nachdem sie ohne Kontakt um den Planeten herumgeschwungen ist, verliert sie diese Geschwindigkeit wieder, wenn sie sich entfernt. Sie fliegt allerdings in einer völlig anderen Richtung. Es ist genau so, als ob die Sonde ein Ball wäre, der von einer Wand abprallt.

Wie gewinnt die Sonde beim Swing-By dann zusätzliche Geschwindigkeit? Im Gegensatz zur Wand bewegen sich Planeten selber und teilen einen Teil ihrer Geschwindigkeit (genauer gesagt: ihres Impulses) der Sonde mit. Nachdem eine Sonde aus dem Schwerefeld eines Planeten „herausgeprallt" ist, hat sich ihre Geschwin-digkeit in Bezug auf den Planeten nicht geändert - wohl aber in Bezug auf die Sonne, und das ist bei interpla-netarischen Reisen entscheidend. Damit kann die Sonde einen beachtlichen zusätzlichen Impuls gewinnen.
(Insgesamt bleibt der Impuls natürlich erhalten - was die Sonde erhält, verliert der Planet, er wird in der Regel um einen unmeßbar kleinen Betrag abgebremst. Kein noch so phantastisch genaues Meßinstrument könnte den Unterschied selbst beim Swing-By eines noch so gigantischen Raumschiffs registrieren - er ist aber real vorhanden. Damit hatte jener „Weltuntergangsprophet", der „vorhersagte", die Saturn-Sonde „Cassini" würde bei ihrem Vorbeiflug die Erde aus der Bahn werfen, durchaus recht: Die Erde bewegt sich jetzt auf einer ein ganz klein wenig anderen Bahn als vor dem „Cassini"-Swing-By. )
Mittels geschickte Navigation kann man also ohne jeden zusätzlichen Energieverbrauch eine Art „interplanetarisches Billard" spielen und die Gravitationsfelder mehrere Planeten nacheinander nutzen. Die „Voyager"-Mission zum Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun beanspruchte nur neun Jahre - auf einer norma-len Flugbahn hätte sie 30 Jahre gedauert.

Diese elegante Methode hat allerdings ihre Grenzen: Zum einen sind solche Flüge nur bei bestimmten Konstellationen, also nur relativ selten, möglich, zum anderen ist die Endgeschwindigkeit begrenzt. Der schwerwiegendste Nachteil ist allerdings, daß sich die Flugbahnen der Sonden mit den eingebauten vergleichsweise winzigen Triebwerken kaum korrigieren lassen. Eine „Zieländerung" während des Fluges ist praktisch unmöglich.

Einen Ausweg bietet der Ionenantrieb. Seit Ende Oktober 1998 ist die erste Raumsonde mit Ionenantrieb, „Deep Space 1", auf dem Weg zu einem Asteroiden und den Kometen Wilson-Harrigton und Borelly. Derart drastische Kursänderungen wären mit einer konventionellen Sonde nicht möglich. „Deep Space 1" wird von einem Strom aus Xenon-Ionen beschleunigt, der mit Hilfe von Solarenergie erzeugt wird. Auch ein Nuklearantrieb wäre möglich, wird zumindest von NASA und ESA derzeit aus Umweltschutzgründen nicht mehr erwogen. Obwohl der Schub verglichen mit einer chemischen Rakete winzig ist, kann er über sehr lange Zeit beibehalten werden - damit erreichte DS 1 eine Geschwindigkeit von immerhin 13.000 Kilometer pro Stunde zusätzlich zur Anfangsgeschwindigkeit.
Ein anderer Ausweg ist der „Sonnenwindsegler". Dieses Prinzip geht auf den Raumfahrtvisionär und „Altmeister der harten Science Fiction", Arthur C. Clarke zurück. Bekanntlich geht von der Sonne ein beständiger Teilchenstrom, anschaulich „Sonnenwind" genannt, aus. Ein Raumfahrtzeug fängt ihn mit einen riesigen Segel aus extrem dünner verspiegelter Kunststoffolie auf. So gering der Impuls des Sonnenwindes auch sein mag, er wirkt stetig und kann den „Sunjammer" auf sehr hohe Geschwindigkeiten bringen. Ein Sonnenwindsegler kann, ähnlich wie ein Segelboot, kreuzen und so beliebte Ziele innerhalb des Sonnensystems erreichen. Sonnenwindsegel wurden bereits in kleinem Maßstab experimentell getestet. Sie haben allerdings einen gra-vierende Nachteil: die riesigen Segel sind auch zusammengefaltet sehr sperrig und, so leicht sie auch sein mögen, geht ihre Masse zu Lasten der kostbaren Nutzlast.
Eine neuartige Variante des Sonnenwindseglers könnte sehr schnelle Raumsonden ermöglichen - Sonden, die die schon in den 1970er Jahren gestarteten „Voyager"- und „Pioneer"-Sonden auf ihren Weg zu den Grenzen unseres Sonnensystems einholen könnten - ohne den Nachteil, gewaltige Segel mitführen zu müssen. Dieses neue Antriebskonzept heißt „Mini-Magnetospheric-Plasma-Propulsion" (Abgekürzt: „MMPP" oder „M2P2"). Beim M2P2-Antrieb erzeugen die Raumsonden eine eigene Magnetosphäre, die im Sonnenwind wie ein Segel wirkt: Ein Elektromagnet erzeugt dabei ein ähnliches Magnetfeld wie das Erdmagnetfeld, in das dann ionisiertes Helium injiziert wird. So entsteht eine magnetische Blase im Sonnenwind, der die Sonde mit beachtliche Geschwindigkeit aus dem Sonnensystem herausbläst. Die amerikanische Raumfahrtagentur NASA vergab im Juli 1999 einen Förderpreis an den Erfinder des M2P2, Robert Winglee von der Universität von Washington.
Mit einer Magnetblase, die nur drei Monate lang aufrechterhalten wird, könnte eine 136 Kilogramm schwere Sonde auf eine Geschwindigkeit von 288.000 Kilometer pro Stunde beschleunigt werden. Eine 2003 gestar-tete Raumsonde würde die Heliopause - die „Stoßfront", wo der Sonnenwind auf die interstellare Strahlung trifft und die als die Grenze unseres Sonnensystems betrachtet wird - 2013 erreichen. „Voyager 1", immerhin schon seit 1977 im Weltall und das bisher schnellste vom Menschen gebaute Fahrzeug, wird dort erst 2019 ankommen.
Allerdings eignet sich der M2P2-Motor in dieser Form nur für kleine Raumsonden - für schwere Raumsonden vom „Cassini"-Typ oder gar bemannte Raumschiffe sind die vorhandene Energiequellen für die Elektro-magnete zu schwach - ein ähnliches Problem wie schon beim Ionenantrieb. 
Winglee denkt noch weiter: Er schlägt vor, in eine entsprechend stärkere Magnetblase außer dem Helium eine feste Stützmasse - ein wenig Staub - zu geben. Damit erhöht sich die mit dem M2P2-Motor erreichbare Geschwindigkeit so sehr, daß eine Sonde die erdnächsten Sterne in „überschaubarer" Zeit - einigen Jahrzehnten - erreichen könnte.
Martin Marheinecke, September 1999

Erstmals veröffentlicht im Perry Rhodan-Journal "Wissenschaft & Technik", Oktober 1999

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