Magnetfeldoszillationsantrieb

Zündung eines MOA-Triebwerks in der Vakuumkammer

Der Magnetfeldoszillationsantrieb (englisch magnetic field oscillating amplified thruster, MOA), in der Presse häufig als Plasmatriebwerk bezeichnet, ist ein vielseitig verwendbares elektrothermodynamisches System, das in der Lage ist, beinahe jedes Medium auf hohe Ausströmgeschwindigkeiten zu beschleunigen und so einen Plasmastrahl auszustoßen.

Um dies zu bewerkstelligen, greift das System auf sogenannte Alfvén-Wellen zurück, ein physikalisches Prinzip der Magnetohydrodynamik, das erstmals im Jahre 1942 durch den späteren Nobelpreisträger Hannes Alfvén vorhergesagt wurde und das besagt, dass veränderliche Magnetfelder in elektrisch leitfähigen Medien (z. B. Plasma, salziges Wasser etc.) Dichtewellen hervorrufen. Diese Wellen sind in der Lage, Teilchen im Medium mit sich mitzureißen und sie auf sehr hohe Geschwindigkeiten (bzw. hohe Energien) zu beschleunigen.

Anwendungsgebiete

Wegen der hohen erreichbaren Ausströmgeschwindigkeit und dem damit verbundenen hohen spezifischen Impuls bzw. der hohen Teilchenenergie gibt es zwei wesentliche Anwendungsgebiete: die Raumfahrt und die Oberflächenbehandlung bestimmter Materialien (Beschichtung). Im ersten Fall bedeutet die hohe Ausströmgeschwindigkeit einen wesentlich geringeren Stützmassebedarf im Vergleich zu gängigen Ionentriebwerken, im zweiten Anwendungsfall bedingt die hohe Energie eine große Eindringtiefe in das zu behandelnde Material. Damit können z. B. Stahl, Aluminium, aber auch Glas und Kunststoffe je nach Wunsch gehärtet bzw. an die geforderten Eigenschaften angepasst werden.

Abgesehen von den hohen Teilchenenergien bzw. Ausströmgeschwindigkeiten, hat das MOA-Konzept auch den Vorteil, dass es weitgehend korrosionsfrei ist. Die Magnetfelder, welche zur Erzeugung der Alfvén-Wellen zum Einsatz kommen, verhindern, dass die hochenergetischen Teilchen mit der Wand oder einer anderen Strukturkomponente in Berührung kommen und dabei Schaden anrichten.

Aufbau des MOA-Systems

Im Wesentlichen besteht das gesamte MOA-System aus fünf Subelementen:

• Plasmaquelle,
• Zentralrohr,
• Primärspule,
• Sekundärspule,
• Versorgungs- und Steuerungseinheit.

Die Plasmaquelle erzeugt einen kontinuierlichen Strom ionisierter Teilchen, die im Zentralrohr in Richtung Austrittsdüse driften. Diese Teilchen können z. B. Stickstoff- oder Wasserstoffmoleküle, aber auch Atome der Edelgase Argon oder Xenon sein. Da sie ionisiert sind, reagieren sie auf die beiden Magnetfelder, welche durch die Primär- und die Sekundärspule aufgespannt werden. Dabei ist die Primärspule permanent in Betrieb und formt die magnetische Austrittsdüse, während die Sekundärspule zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Feldlinien im Gesamtsystem zu deformieren. Diese Verformung erzeugt die Alfvén-Wellen, welche im nächsten Schritt dem Transport und der Kompression des Antriebsmediums dienen. Gesteuert wird das gesamte System durch die Versorgungs- und Steuerungseinheit.

Da das MOA-Konzept eine Plasmaquelle benötigt, um die ionisierten Teilchen zu erzeugen, ist es prinzipiell ein elektrisches Antriebssystem wie andere Ionenantriebe auch. Durch die Interaktion der Magnetfelder werden die Teilchenpakete aber auch komprimiert und aufgeheizt, womit aus dem Gesamtsystem ein elektrothermodynamisches System wird. Diese Kombination aus elektrischem und thermodynamischem System vereint die Vorteile beider Gebiete, denn es hat einerseits die hohe Effizienz der elektrischen Antriebssysteme, kann aber gleichfalls auch eine Vielzahl an Teilchen beschleunigen – wie ein thermisches System – und damit einen relativ hohen Schub erzeugen. Die Kombination aus hoher Teilchenenergie bzw. Ausströmgeschwindigkeit und relativ hohem Schub ist in dieser Form außergewöhnlich. Die hohe Flexibilität durch Änderung des Masseflusses oder der elektrischen Leistung ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt einzigartig.

Stand der Entwicklung

Nachdem ein Antrieb auf Basis der Alfvén-Wellen Mitte der 1980er-Jahre vorgeschlagen wurde, wurde das MOA-Konzept erstmals an der TU Graz umgesetzt. Am dortigen Institut für Kommunikationsnetze und Satellitenkommunikation wurde auch der Prototyp des Triebwerks in einer Vakuumkammer getestet und die Messergebnisse bestätigten die Realisierbarkeit des Projekts. Die gewonnenen Daten wurden beim International Astronautical Congress im japanischen Fukuoka am 21. Oktober 2005 präsentiert. Das zur Realisierung neu gegründete Unternehmen Qasar Technologies GmbH wird die Technologie weiter entwickeln und potentielle terrestrische Anwendungen testen, sowohl im Hinblick auf eine mögliche Anwendung in der Raumfahrt, als auch für die Oberflächenbehandlung. Im Sommer 2005 hat der MOA-Prototyp den TRL 5 (Technology Readiness Level) erreicht und damit seine Funktion in einer relevanten Umgebungsbedingung (Vakuumkammer) bewiesen.

Als mögliche Interessenten für die Technologie sehen die Wissenschaftler den Luft- und Raumfahrtkonzern EADS, Flugzeugbauer wie Boeing, Hughes Network Systems oder Alcatel Alenia Space sowie Werkstoffspezialisten und die Automobilbranche.

Siehe auch

• Liste der Raumflugkörper mit elektrischem Antrieb

Literatur

• Patent WO2005027142.‌

Weblinks

• Artikel „Raumfahrt-Revolution“ der Wiener Zeitung vom 19. Oktober 2005 (abgerufen am 11. November 2013)