Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP): Treibstofffreier Antrieb für VLEO-Satelliten

Sehr niedrige Erdumlaufbahnen (VLEO) ermöglichen schärfere Erdbeobachtungen und effizientere Datenübertragung, doch die dortige Restatmosphäre bremst Satelliten kontinuierlich ab. Traditionelle elektrische Antriebe benötigen begrenzte Vorräte an Edelgasen wie Xenon, sodass die Missionsdauer stark eingeschränkt ist. Das von Francesco Romano entwickelte Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP)-System nutzt die vorhandene Atmosphäre als Treibstoff, erreicht eine nahezu treibstofflose Betriebsdauer und vermeidet die Entstehung langlebigen Weltraumschrotts.

Warum VLEO-Satelliten bisher begrenzt sind - Der Fall GOCE

Die ESA-Mission GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) demonstrierte das Kernproblem konventioneller VLEO-Satelliten. GOCE operierte von 2009 bis 2013 in einer Höhe von rund 255 km und trug einen 40-kg-Xenontank mit. Dieser Tank begrenzte die nominale Lebensdauer der 1000-kg-Sonde auf ursprünglich 20 Monate; tatsächlich konnte die Mission dank solarer Inaktivität 55 Monate durchgeführt werden (ESA, 2013). Zur Kompensation des aerodynamischen Restwiderstands nutzte GOCE das QinetiQ T5-Ionentriebwerk, das einen Schub von 1 bis 20 mN lieferte. Sobald der Xenon-Vorrat erschöpft war, trat die Sonde in dichtere Atmosphärenschichten ein und verglühte, wodurch kein dauerhafter Weltraumschrott entstand, jedoch die wissenschaftliche Messkampagne beendet wurde.

Missionsergebnisse und Treibstoffverbrauch

• Xenon-Treibstoffvorrat: 40 kg (2009-2013)
• Erreichter Schubbereich konventioneller VLEO-Ionentriebwerke: 1 - 20 mN (2009)
• Nominale Missionsdauer ohne Treibstofflimitierung: potenziell unbegrenzt

Funktionsprinzip des Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP)

ABEP sammelt die spärliche Restatmosphäre über einen speziell gestalteten Lufteinlass und leitet die Moleküle in ein kontaktloses RF-Helicon-Plasmatriebwerk. Das System besteht aus drei Schlüsselkomponenten: dem parabolischen "Specular Intake", der Birdcage-Antenne und den Magnetspulen, die ein quasi-neutrales Plasma erzeugen.

Specular Intake - parabolischer Lufteinlass

Der Specular Intake funktioniert analog zu einem optischen Spiegel und leitet rund 94 % der ankommenden Gasmoleküle in das Triebwerk weiter (Quelle S1, 2022). Die extrem glatte, spiegelnde Beschichtung, die im Rahmen des EU-Konsortiums DISCOVERER entwickelt wurde, ist entscheidend, weil atomarer Sauerstoff die Reflexion in diffuse Streuung umwandeln kann, sobald Adsorption auftritt.

RF-Helicon-Plasmatriebwerk mit Birdcage-Antenne

Die Birdcage-Antenne erzeugt bei der industriellen Standard-ISM-Frequenz von 13,56 MHz homogene Helicon-Wellenfelder, die das Gas induktiv ionisieren. Das Triebwerk erreicht eine elektrische Einkopplungseffizienz von rund 99 % und zündet bereits bei weniger als 60 W Eingangsleistung (Quelle S1, 2022). Durch die induktive Energieübertragung gibt es keine metallischen Elektroden, die durch atomaren Sauerstoff korrodieren könnten. Der erzeugte quasi-neutrale Plasmastrahl benötigt keinen separaten Neutralisator, was die Fehlerrate des Gesamtsystems reduziert.

Leistungsanforderungen und Orbit-Stabilisierung

Für Satelliten der GOCE-Klasse reicht ein elektrischer Leistungsbedarf von weniger als 1,6 kW aus, um den aerodynamischen Bremswiderstand in einer Höhe von 190 - 250 km kontinuierlich auszugleichen (Quelle S2, 2026). Die Kombination aus hoher Einlass- und Antennen-Effizienz ermöglicht es, diese Leistung mit einer geringen elektrischen Energieversorgung zu realisieren.

• Elektrischer Leistungsbedarf zur Orbit-Stabilisierung (GOCE-Klasse, 190-250 km): < 1,6 kW
• Mindesteingangsleistung zur Plasma-Zündung im Labor: < 60 W
• Auffangeffizienz des Specular Intake: 94 %
• Elektrische Einkopplungseffizienz der Birdcage-Antenne: 99 %

Experimentelle Nachweise und EU-Projekt DISCOVERER

Das Horizon-2020-Projekt DISCOVERER (Förderrahmen 5,7 Mio. €, 2017) entwickelte neben dem Specular Intake auch die notwendigen Oberflächenmaterialien für spiegelnde Gasreflexion. Laborversuche an der Universität Stuttgart und der EPFL bestätigten den stabilen Betrieb des induktiven Helicon-Plasmatriebwerks mit atmosphärischen Gasgemischen (N₂, O₂, Ar). Die experimentellen Daten belegen, dass das Triebwerk bereits mit einer Eingangsleistung von etwa 50-60 W stabile Plasmaströme erzeugt. Hochrechnungen zeigen, dass ein GOCE-ähnlicher Satellit mit diesem System über Jahrzehnte hinweg operieren könnte, ohne Treibstoffbegrenzung.

• Förderrahmen des DISCOVERER-Projekts: 5,7 Mio. € (2017)
• Typische Hochfrequenz der Birdcage-Antenne: 13,56 MHz (2020)
• Experimentell nachgewiesene Gase: N₂, O₂, Ar

Risiken und offene Fragen

Obwohl die Laborergebnisse vielversprechend sind, gibt es kritische Punkte, die eine reale Anwendung herausfordern:

• Abhängigkeit von Solarzyklen und atmosphärischer Dichte: Schwankungen der Thermosphärendichte können um eine Größenordnung variieren, sodass das Triebwerk hochgradig variabel drosselbar sein muss, um nicht durch übermäßigen Luftwiderstand abzubremsen.
• Materialverschleiß des Einlasses: Die theoretische Sammeleffizienz von bis zu 95 % gilt nur, solange die Nanobeschichtungen des Lufteinlasses nicht durch Adsorption von atomarem Sauerstoff beschädigt werden.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Warum flog die ESA-Mission GOCE trotz Treibstoffmangel in so geringer Höhe?GOCE vermaß das Erdschwerefeld und Meeresströmungen; die Signalstärke der Gravitationsanomalien nimmt mit der Höhe drastisch ab, weshalb eine Umlaufbahn von rund 255 km zwingend erforderlich war (ESA, 2013).Was unterscheidet das Stuttgarter ABEP-Triebwerk von früheren Ansätzen wie Hall-Effekt-Triebwerken?Herkömmliche Hall- oder Gitter-Ionentriebwerke besitzen metallische Elektroden, die durch atomaren Sauerstoff im Orbit korrodieren. Das neue Helicon-System überträgt Energie rein induktiv über Hochfrequenzfelder, arbeitet kontaktlos und erzeugt einen quasi-neutralen Plasmastrahl, wodurch Korrosion und Neutralisator-Probleme entfallen (Romano, 2026).