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Ein neues Antriebskonzept könnte Satelliten in sehr niedrigen Erdorbits deutlich länger funktionsfähig halten – und zugleich das Problem herkömmlicher Treibstoffvorräte umgehen. Forschende an der Universität Stuttgart zeigen im Rahmen des europäischen DISCOVERER-Projekts, wie sich die dünne Restatmosphäre als praktisch unbegrenzte Treibstoffquelle nutzen ließe.
Satelliten in sogenannten Very Low Earth Orbits (VLEO), also auf 100 bis etwa 450 Kilometern Höhe, bieten klare operative Vorteile: bessere Bildauflösung, geringere Sendeleistung für Kommunikation und effizientere Radarsignale. Gleichzeitig bremst die verbliebene Atmosphäre diese Objekte konstant ab, sodass permanente Schubleistung nötig ist, um den Orbit zu halten.
Bislang lösen Betreibende dieses Problem durch mitgeführten Treibstoff wie Xenon für elektrische Antriebe. Das begrenzt die Lebensdauer entscheidend: Ist der Vorrat aufgebraucht, folgt ein schneller Wiedereintritt in die Atmosphäre. Genau hier setzt das neue Konzept an – es verwendet die Luftmoleküle selbst als Antriebsmasse.
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So funktioniert das kontaktlose Atmosphären‑Atmen
Der Ansatz namens Atmosphere‑Breathing Electric Propulsion (ABEP) sammelt die sehr dünn gestreute Atmosphäre ein, ionisiert sie und beschleunigt das Plasma zur Erzeugung von Schub – ganz ohne konventionelle Treibstofftanks. Der Raumfahrtingenieur Francesco Romano hat verschiedene Einlassgeometrien verglichen und identifiziert eine Variante, die besonders effektiv partikulare Ströme in das Triebwerk lenkt.
Die beste Lösung in seinen Tests war ein reflektierender, parabolischer Einlass – vergleichbar mit einem optischen Spiegel in der Funktion. Dieses sogenannte Specular Intake leitet einen sehr großen Anteil der eintreffenden Partikel in die Brennkammer; Romano berichtet von Übertragungsraten im hohen Bereich nahe derer, die für praktikable ABEP-Systeme nötig sind.
In VLEO ist nicht nur Dünnheit, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ein Problem: hier kommt atomarer Sauerstoff vor, ein stark reaktives Teilchen, das herkömmliche Elektroden und Gitterstrukturen rasch angreift. Die Lösung der Stuttgarter Gruppe besteht darin, die empfindlichen Bauteile völlig vom Plasmastrahl zu entkoppeln – eine Architektur, die Kontaktkorrosion weitgehend verhindert.
RF‑Helicon‑Plasma: kontaktlos und quasi‑neutral
Das Herz des Systems ist ein RF‑Helicon‑Plasmatriebwerk. Es nutzt hochfrequente elektromagnetische Felder, um die eingefangenen Gasmoleküle zu ionisieren und zu beschleunigen. Für die Felderzeugung passte das Team eine sogenannte Birdcage‑Antenne an – eine Bauform, wie sie aus der Magnetresonanztomografie bekannt ist.
Aus diesem Aufbau resultiert ein praktischer Vorteil: Das Triebwerk arbeitet ohne direkte elektrische Kontakte im Strahlpfad und ist daher deutlich unempfindlicher gegenüber dem aggressiven atomaren Sauerstoff. Außerdem erzeugt die Anordnung einen nahezu quasi‑neutralen Plasmafluss. Positive und negative Ladungsträger verlassen das Triebwerk gemeinsam, sodass ein separater Neutralisator entfällt – ein Bauteil, das bei klassischen Ionenantrieben häufig versagt.
Laborversuche zeigen, dass stabile Plasmen bereits bei niedrigen Eingangsleistungen von rund 50 bis 60 Watt möglich sind. Für einen Satelliten in der Größenordnung der früheren GOCE‑Mission prognostizieren die Forschenden einen nötigen Bordleistungsbedarf von unter 1,6 Kilowatt, um eine Höhe zwischen etwa 190 und 250 Kilometern dauerhaft zu halten. Erste Modellrechnungen legen zudem nahe, dass das Prinzip auch in fremden Atmosphären funktioniert: beispielsweise in der CO₂‑reichen oberen Atmosphäre des Mars bei 120–160 Kilometern Höhe.
- Vorteile: Keine mitgeführten Edelgase, deutlich geringere Fehlerempfindlichkeit durch Wegfall des Neutralisators, geringe elektrische Leistungsanforderung im Labor.
- Kollaterale Effekte: Ausfallende Satelliten bleiben kein langfristiges Trümmerproblem – sie würden schneller natürlich verglühen.
- Offene Fragen: Skalierbarkeit, genaue Ausrichtung zum Anströmwinkel und die Robustheit unter realen orbitalen Bedingungen.
Trotz vielversprechender Laborergebnisse ist ABEP derzeit noch ein experimentelles Konzept. Wichtige technische Hürden bleiben: Das Einlass‑Design verlangt eine präzise Ausrichtung zur Flugrichtung, da Abweichungen die Aufnahmeeffizienz reduzieren. Zudem sind Langzeitversuche unter den tatsächlichen Umgebungsbedingungen der oberen Atmosphäre erforderlich, bevor Hersteller und Betreiber investieren werden.
Die politische und wirtschaftliche Dimension darf nicht unterschätzt werden: Sollten Demonstrationen im Orbit gelingen, könnten Satellitenbetreiber VLEO‑Dienste mit längeren Laufzeiten und geringeren Treibstoffkosten anbieten. Das hätte Folgen für Erdbeobachtung, mobile Kommunikation und bodennahe Fernerkundung – zugleich würde die Müllproblematik im Orbit verändert, weil defekte Plattformen nicht dauerhaft als Gefahr verbleiben.
In den nächsten Schritten müssten Versuche auf Flugzielen erfolgen, etwa als Technologie‑Demonstratoren auf Kleinsatelliten. Nur durch solche Einsätze lässt sich klären, wie effizient das Prinzip unter realen Bedingungen arbeitet und welche Anpassungen für den Einsatz in unterschiedlichen Bahnhöhen nötig sind.
Kurzfristig bleibt ABEP daher ein vielversprechender Ansatz mit hohem Innovationspotenzial, aber noch ohne Praxiserprobung im All. Für die Raumfahrtbranche steht damit eine Option im Raum, die das Betriebsmodell sehr niedriger Orbits grundlegend verändern könnte — falls die nächsten Tests den Laborerfolg bestätigen.
