In Bezug auf die Zukunft der Weltraumforschung werden eine Reihe neuer Technologien untersucht. Zu den wichtigsten zählen neue Antriebsformen, mit denen die Kraftstoffeffizienz mit der Leistung in Einklang gebracht werden kann. Motoren, die mit weniger Kraftstoff viel Schub erreichen können, wären nicht nur kostengünstig, sondern könnten auch Astronauten in kürzerer Zeit zu Zielen wie dem Mars und darüber hinaus befördern.
Hier kommen Motoren wie das X3 Hall-Effekt-Triebwerk ins Spiel. Dieses Triebwerk, das vom Glenn Research Center der NASA in Zusammenarbeit mit der US Air Force und der University of Michigan entwickelt wird, ist ein vergrößertes Modell der von der Dämmerung Raumfahrzeug. Während eines kürzlich durchgeführten Tests hat dieses Triebwerk den vorherigen Rekord für ein Hall-Effekt-Triebwerk gebrochen und eine höhere Leistung und einen überlegenen Schub erzielt.
Hall-Effekt-Triebwerke haben in den letzten Jahren bei Missionsplanern aufgrund ihrer extremen Effizienz großen Anklang gefunden. Sie funktionieren, indem sie kleine Mengen Treibmittel (normalerweise Inertgase wie Xenon) in geladenes Plasma mit elektrischen Feldern umwandeln, das dann mithilfe eines Magnetfelds sehr schnell beschleunigt wird. Im Vergleich zu chemischen Raketen können sie mit einem winzigen Bruchteil ihres Treibstoffs Höchstgeschwindigkeiten erreichen.
Eine große Herausforderung bestand bisher jedoch darin, ein Hall-Effekt-Triebwerk zu bauen, das auch ein hohes Schubniveau erreichen kann. Herkömmliche Ionenmotoren sind zwar kraftstoffsparend, erzeugen jedoch typischerweise nur einen Bruchteil des Schubes, der von Raketen erzeugt wird, die auf festen chemischen Treibmitteln beruhen. Aus diesem Grund hat die NASA in Zusammenarbeit mit ihren Partnern das vergrößerte Triebwerk X3 entwickelt.
Die Entwicklung des Triebwerks wurde von Alec Gallimore, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und Dekan für Ingenieurwissenschaften von Robert J. Vlasic an der Universität von Michigan, überwacht. Wie er kürzlich in einer Presseerklärung der Michigan News angedeutet hat:
„Mars-Missionen stehen kurz vor dem Horizont, und wir wissen bereits, dass Hall-Triebwerke im Weltraum gut funktionieren. Sie können entweder für den Transport von Ausrüstung mit minimaler Energie und Treibmittel über einen Zeitraum von etwa einem Jahr oder für die Geschwindigkeit optimiert werden, um die Besatzung viel schneller zum Mars zu transportieren. “
In jüngsten Tests hat der X3 den vorherigen Schubrekord eines Hall-Triebwerks gebrochen und 5,4 Newton Kraft im Vergleich zum alten Rekord von 3,3 Newton erreicht. Der X3 hat auch den Betriebsstrom mehr als verdoppelt (250 Ampere gegenüber 112 Ampere) und lief mit einer etwas höheren Leistung als der vorherige Rekordhalter (102 Kilowatt gegenüber 98 Kilowatt). Dies war eine ermutigende Nachricht, da der Motor dadurch schneller beschleunigen kann, was kürzere Fahrzeiten bedeutet.
Der Test wurde von Scott Hall und Hani Kamhawi im Glenn Research Center der NASA in Cleveland durchgeführt. Während Hall an der U-M in Luft- und Raumfahrttechnik promoviert, ist Kamhawi ein Wissenschaftler der NASA Glenn, der maßgeblich an der Entwicklung des X3 beteiligt war. Darüber hinaus ist Kamhawi im Rahmen des NASA Space Technology Research Fellowship (NSTRF) auch Halls NASA-Mentor.
Dieser Test war der Höhepunkt von mehr als fünf Jahren Forschung, die darauf abzielte, die aktuellen Hall-Effekt-Designs zu verbessern. Bei der Durchführung des Tests stützte sich das Team auf die Vakuumkammer der NASA Glenn, die derzeit die einzige Kammer in den USA ist, die mit dem X3-Triebwerk umgehen kann. Dies ist auf die schiere Menge an Abgas zurückzuführen, die das Triebwerk erzeugt, was dazu führen kann, dass ionisiertes Xenon in die Plasmafahne zurückdriftet und so die Testergebnisse verzerrt.
Das Setup von NASA Glenn ist das einzige mit einer Vakuumpumpe, die stark genug ist, um die Bedingungen zu schaffen, die erforderlich sind, um den Auspuff sauber zu halten. Hall und Kamhawi mussten außerdem einen speziellen Schubständer bauen, um den 227 kg schweren Rahmen des X3 zu tragen und der von ihm erzeugten Kraft standzuhalten, da vorhandene Ständer der Aufgabe nicht gewachsen waren. Nach dem Sichern eines Testfensters bereitete das Team vier Wochen lang den Stand und das Triebwerk vor und stellte alle erforderlichen Verbindungen her.
Währenddessen standen NASA-Forscher, Ingenieure und Techniker zur Verfügung, um Unterstützung zu leisten. Nach 20 Stunden Pumpen, um ein raumähnliches Vakuum in der Kammer zu erreichen, führten Hall und Kamhawi eine Reihe von Tests durch, bei denen der Motor 12 Stunden lang ohne Unterbrechung gezündet wurde. Innerhalb von 25 Tagen brachte das Team den X3 auf seine Rekordleistung, Stromstärke und Schubkraft.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, weitere Tests in Gallimores Labor bei U-M unter Verwendung einer verbesserten Vakuumkammer durchzuführen. Diese Upgrades sollen bis Januar 2018 abgeschlossen sein und es dem Team ermöglichen, zukünftige Tests intern durchzuführen. Dieses Upgrade wurde dank eines Zuschusses von 1 Mio. USD ermöglicht, der teilweise vom Air Force Office of Scientific Research bereitgestellt wurde und von Jet Propulsion Laboratory und U-M zusätzlich unterstützt wurde.
Die Stromversorgungen des X3 werden auch von Aerojet Rocketdyne entwickelt, dem in Sacramento ansässigen Hersteller von Raketen- und Raketenantrieben, der auch führend bei der Gewährung des Antriebssystems durch die NASA ist. Bis zum Frühjahr 2018 soll der Motor in diese Antriebssysteme integriert werden. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Reihe von 100-Stunden-Tests durchgeführt, die erneut im Glenn Research Center durchgeführt werden.
Der X3 ist einer von drei Prototypen, die die NASA für künftige Missionen mit Besatzung zum Mars untersucht. All diese Prototypen sollen die Reisezeiten verkürzen und die benötigte Kraftstoffmenge reduzieren. Abgesehen davon, dass solche Missionen kostengünstiger werden, sollen die verkürzten Transitzeiten auch die Menge an Strahlung verringern, der Astronauten auf ihrem Weg zwischen Erde und Mars ausgesetzt sind.
Das Projekt wird durch die Next Space Technologies for Exploration Partnership (Next-STEP) der NASA finanziert, die nicht nur Antriebssysteme, sondern auch Lebensraumsysteme und die Herstellung im Weltraum unterstützt.
