Sonnensegel (Raumfahrt)

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Sonnensegel (Raumfahrt)

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Das Sonnensegel (auch Lichtsegel, Photonensegel oder Solarsegel, engl. SSP für solar-sail propulsion) ist ein Konzept zum Antrieb von Raumsonden, bei dem der sehr geringe Strahlungsdruck des Sonnenlichtes genutzt werden soll. Ideen dazu gab es schon in den 1920er Jahren vom deutschen Ingenieur Hermann Oberth (1923)[1] oder vom russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski (1924)[2]. Der Begriff Sonnensegeln (eng. "solar sailing") wurde erst später von Richard Garwin (1958) geprägt.

Die durch ein Sonnensegel mögliche Beschleunigung ist im Vergleich zu anderen Antrieben sehr gering. Daher sehen Konzepte zur Nutzung von Sonnensegeln Missionsdauern von vielen Jahren vor. Die technologische Herausforderung besteht darin, Folien im Weltraum zu entfalten und zu manövrieren, die sehr leicht und sehr groß sind.

Während die NASA die Entwicklung vorübergehend einstellte,[3] testete Japan 2010 IKAROS erfolgreich: Während sechs Monaten betrug die durch Lichtdruck bewirkte Geschwindigkeitsänderung 100 m/s.[4] Nun plant die NASA für 2014 ein ähnliches Projekt.[5]

Konzept

Beim Sonnensegel soll der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Mit der Solarkonstanten von 1,367 kW/m² (Strahlungsleistungsdichte der Sonne in Erdentfernung) ergibt sich ein Strahlungsdruck von 9,1 μN/m² – bei vollständiger, senkrechter Reflexion, die aber auf interplanetaren Bahnen nicht sinnvoll ist. Typisch ist die schräge Segelstellung, bei der eine tangentiale Kraftkomponente auftritt, mit der die Bahnenergie erhöht oder verringert werden kann. Die im Bereich der Erdbahn auf einen Quadratmeter Segelfläche wirkende Kraft $ F $ beträgt dann etwa

$ F=4\;\mu \mathrm {N} \; $.

Es werden also sehr große Flächen und lange Zeiten benötigt, um selbst kleine Massen nennenswert zu beschleunigen. Das heißt, das Segel muss sehr dünn sein. Bei einem Massebelag von 10 g/m², einschließlich Nutzlast, läge die Beschleunigung bei 0,4 mm/s² und ein Geschwindigkeitszuwachs von 10 km/s würde fast ein Jahr dauern.

Die Intensität des Sonnenlichts hängt umgekehrt quadratisch vom Abstand ab. Nahe Vorbeiflüge an der Sonne könnten dies ausnutzen, um größere Beschleunigungswerte zu erreichen.[6]

Praktische Versuche

Znamya-2 (1993)
Die erste Erprobung eines Entfaltmechanismus für Foliensegel und deren Lagekontrolle geschah 1993 von der russischen Raumstation Mir aus. Das Experiment diente dem Plan, mit viel größeren Reflektoren nordrussische Städte zu erhellen. Zur Durchführung dockte Progress-M 15 ferngesteuert ab und wurde in 230 m Entfernung zur Lagestabilisierung in Rotation versetzt. Der 40 kg schwere Reflektor wurde an einer elektrisch angetriebenen Achse durch Zentrifugalkraft zu 20 m Durchmesser ausgespannt, die Kanten der acht am Umfang verbundenen Foliensegmente entfalteten sich allerdings nicht vollständig. In der frühen Morgendämmerung war der Reflex von Südfrankreich bis Osteuropa zu sehen.[7][8]
DLR-Demonstrator (1999)
Das ESA/DLR-Projekt „Solar Sail“ konnte 1999 die Entfaltung eines 20 m ×20 m großen Sonnensegels am Boden demonstrieren. Das Segel bestand aus vier CFK-Auslegern, die beim Ausfahren ein Kapton-Segel aufspannten. Die Röhren der Ausleger bestanden aus zwei aufgerollten Halbschalen, die beim Abrollen wieder ihre ursprüngliche Form erhielten. Das JPL der NASA steuerte ein Segelsegment zum Demonstrator bei.[9][2]
Künstlerische Darstellung des Modells Cosmos-1 der Planetary Society
Cosmos 1 (2001)
2001 schlug ein suborbitaler Test von Cosmos Studios und der Planetary Society fehl, da sich die dritte Stufe der verwendeten Wolna-Rakete nicht trennte. Cosmos 1 hätte acht 5 µm dicke Segmente aus aluminiumbeschichtetem Mylar mithilfe aufblasbarer Schläuche entfalten sollen.[10] 2005 verhinderte ein Versagen schon der ersten Stufe einen orbitalen Einsatz in 800 km Höhe.[11] Das Experiment sollte eine Erhöhung der Orbits durch das Solarsegel nachweisen.[10] Dies plant die Planetary Society nun unter der Missionsbezeichnung LightSail-1 zu erreichen.[12]
Raumfahrtagentur ISAS (2004)
Im August 2004 testete die japanische Raumfahrtagentur ISAS die Entfaltung zweier Sonnensegel in einem suborbitalen Flug mit der Höhenforschungsrakete S-310 erfolgreich. Der Entfaltungsmechanismus beruht auf der Ausnutzung der Zentrifugalkraft bei einer Rotationsbewegung. Diese Bewegung wurde auf der Höhenforschungsrakete nach Erreichen der 200-km-Grenze initiiert, so dass sich das 10-m-Sonnensegel entfalten konnte.[13][14]
Eines der beiden 20-Meter-Sonnensegel, deren Entfaltung 2005 von der NASA getestet wurde.
NASA Glenn Research Center (2005)
Im weltgrößten Simulator für Weltraumbedingungen, der Plum Brook's Space Power Facility, wurde 2005 die Entfaltung zweier konkurrierender Sonnensegelkonstruktionen getestet.[15]
IKAROS (2010)
Die Kraftwirkung auf ein Sonnensegel im All wurde erstmals mit der am 20. Mai 2010 gestarteten japanischen interplanetaren Raumsonde IKAROS gemessen.
NanoSail-D2 (2011)
Am 20. Januar 2011 öffnete der 4 kg schwere und 33×10×10 cm³ große Nanosatellit NanoSail-D2 in einer 640 km hohen Umlaufbahn ein etwa 10 m² großes Segel. Das NASA-Experiment diente dem Test einer Technologie, um Weltraummüll durch Luftreibung schneller zum Verglühen in der Atmosphäre zu bringen. Da das Segel sich nicht, wie vorausberechnet, frontal zur Anströmung, sondern flach ausrichtete, dauerte das Deorbiting statt geplanter 70 bis 120 Tage 240 Tage – NanoSail-D2 verglühte am 17. September 2011 in der Atmosphäre.[16]
LightSail (2015)
Ein Nanosatellit, der beim Start der Boeing X-37 am 20. Mai 2015 mit ins All befördert wurde und einige Tage später nach dem Entfalten seines Segels in der Atmosphäre verglühte.[17]

Systemkomponenten

Das Antriebskonzept „Sonnensegel“ erfordert hauchdünne Folien, die samt Verspiegelung und aufspannendem Gerüst zehn- bis hundertfach leichter sind als Papier und gleichzeitig reißfest genug, um aus kompakter Packung zu mehrfacher Fußballfeldgröße entfaltet werden zu können.[2]

Design

Ein Papier der NASA unterscheidet die folgenden drei Arten[18]:

  1. dreiachs-stabilisierte quadratische Segel
  2. spin-stabilisiertes Rotorblatt Segel (eng.: Heliogyro)
  3. Spin-stabilisierte kreisförmige Segel
Sail-design-types.gif

Neben diesen existieren auch noch Lösungen, die sich zum Teil aus Kombinationen der obigen drei Arten ergeben. So besitzt IKAROS z.B. ein quadratisches Segel, jedoch beruht der Entfaltemechanismus auf Fliehkraft, was dazu führte, dass der Satellit eine Spinstabilisierung benötigte. Demzufolge muss zwischen den Entfaltemechanismen (Fliehkraftausnutzung, mechanisches Ausfahren, …), den unterschiedlichen Arten der Satellitenstabilisierung und der Segelgeometrie (quadratisch, kreisförmig, Rotorblatt-ähnlich, …) unterschieden werden.

Material

MSFC-Manager Les Johnson hält ein Kohlenstoff-Vlies in den Händen, das Sonnensegel in Zukunft reißfester machen könnte.

Ein Sonnensegel besteht in der Regel aus einer Trägerschicht, meist PET / Mylar, Kapton oder Kevlar, und wird auf den zwei Seiten unterschiedlich metallisiert, um die entsprechenden Emissions- und Reflexionswerte zu erhalten. Eine dünne Chromschicht wird eingesetzt, um einen hohen Emissionswert auf der sonnenabgewandten Seite, zur Abführung der absorbierten Energie, zu erreichen und eine dünne Aluminiumschicht soll ein hohes Reflexionsvermögen generieren.[2]

Literatur

  • Colin Robert McInnes: Solar Sailing: Technology, Dynamics, and Mission Applications, Springer, 1999, ISBN 1-85233-102-X, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  • Paul Gilster: Centauri Dreams: Imagining and Planning Interstellar Exploration, Springer, 2004, ISBN 0-387-00436-X, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Hermann Oberth: Die Rakete zu den Planetenräumen. Michaels-Verlag, 1984, ISBN 3-89539-700-8.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 C. Garner u. a.: A Summary of Solar Sail Technology Developments and Proposed Demonstration Missions. (PDF; 1,9 MB) NASA/JPL/ DLR, 1999, abgerufen am 11. November 2011 (englisch).
  3. ↑ Les Johnson et al.: Status of solar sail technology within NASA, Advances in Space Research, 2010, doi:10.1016/j.asr.2010.12.011.
  4. ↑ Yuichi Tsuda: Solar Sail Navigation Technology of IKAROS. JAXA. 2011. Abgerufen am 18. März 2012.
  5. ↑ NASA Announces Technology Demonstration Missions, 22. August 2011.
  6. ↑ R. A. Mewaldt, P. C. Liewer: An Interstellar Probe Mission to the Boundaries of the Heliosphere and Nearby Interstellar Space. (PDF; 2,2 MB) 1999, abgerufen am 5. Juni 2011 (englisch).
  7. ↑ David S. F. Portree: Mir Hardware Heritage, Part 2 - Almaz, Salut, and Mir. (PDF; 956 kB) In: NASA Reference Publication 1357. NASA, 1995, S. 138, abgerufen am 7. Dezember 2011 (englisch).
  8. ↑ Gunnar Tibert, Mattias Gärdsback: Space Webs - Final Report / Znamya (S. 5/6). (PDF; 6,5 MB) ESA, abgerufen am 11. November 2011 (englisch).
  9. ↑ M. Leipold u. a.: Solar Sails for Space Exploration – The Development and Demonstration of Critical Technologies in Partnership. (PDF; 624 kB) ESA, Juni 1999, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  10. ↑ 10,0 10,1 L. Herbeck u. a.: Solar Sail Hardware Developments. (PDF; 522 kB) ESA/DLR, Kayser-Threde, 2002, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  11. ↑ E. Reichl, S. Schiessl (vfr.de): Space 2006 – Mit Chronik des Raumfahrtjahres 2005 (PDF; 8,7 MB).
  12. ↑ The Planetary Society: LightSail Mission FAQ (abgerufen Juni 2012).
  13. ↑ D. Coulter: A Brief History of Solar Sails. (PDF) NASA, 31. Juli 2008, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  14. ↑ O. Mori u. a.: Dynamic and Static Deployment Motions of Spin Type Solar Sail. (PDF; 291 kB) ISAS/JAXA, 2004, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  15. ↑ Glenn Research Center: Sailing on Sunbeams: Solar Power to Advance Interplanetary Travel, 13. Mai 2005.
  16. ↑ NASA's Nanosail-D ‘Sails’ Home – Mission Complete, 29. November 2011.
  17. ↑ Werner Pluta: Lightsail: Segeln vor dem Sonnenwind. Golem.de, 9. Juli 2015, abgerufen am 13. Juli 2015.
  18. ↑ NASA facts - Solar Sail Propulsion. (PDF; 148 kB) NASA, April 2005, abgerufen am 19. November 2011 (englisch).
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