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2025-07-18T01:02:41Z

VASIMR

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[[Bild:Self-field MPD thruster-CGI illustration.jpeg|mini|Illustration eines magnetoplasmadynamischen Antriebs]]
Ein '''magnetoplasmadynamischer Antrieb''', auch ''MPD-Antrieb'' (engl. ''MPD thruster'') genannt, ist ein [[Antriebsmethoden für die Raumfahrt|Antriebsmechanismus für Weltraumfahrzeuge]], der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Beschleunigung basiert. Aufgrund des hohen elektrischen Leistungsbedarfs sind allerdings seit dem Beginn der Entwicklung in den 1960er bisher nur wenige Antriebe im Weltraum erprobt worden, insbesondere durch Anstrengungen Japans und der ehemaligen Sowjetunion.

Er nutzt die [[Lorentzkraft]], welche die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und elektrischem Strom beschreibt, und wird daher auch ''Lorentz Force Accelerator'' (LFA) genannt. MPD-Antriebe stellen eine Weiterentwicklung des [[Thermisches Lichtbogentriebwerk|thermischen Lichtbogentriebwerks]] (Arcjet) dar, dessen elektrothermische Beschleunigung hierbei durch die effizientere elektromagnetische Beschleunigung ersetzt wird. Dadurch kann ein höherer [[Wirkungsgrad]] erreicht werden, welcher aber erst bei hohen Leistungen, und damit verbundenen starken Magnetfeldern, erreicht wird. Wird zusätzlich ein Magnetfeld aufgebracht, spricht man vom Fremdfeldbeschleuniger (engl. ''AF-MPD; Applied-Field MPD''), ansonsten vom Eigenfeldbeschleuniger (engl. ''SF-MPD; Self-Field MPD'').

== Technik ==
MPD-[[Triebwerk]]e bestehen aus einer trichterförmigen [[Anode]], in deren Mitte eine stabförmige [[Kathode]] angebracht ist. Wird eine [[elektrische Spannung]] zwischen den beiden [[Elektrode]]n angelegt, wird die sich im Trichter befindende [[Stützmasse]] ionisiert und erlaubt so einen [[Stromfluss]] radial durch das Gas zur Kathode. Durch den Stromfluss wird nun ein starkes Magnetfeld erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld um die Brennkammer und der ionisierten Stützmasse beschleunigt diese in axialer Richtung und lässt sie mit sehr hoher Geschwindigkeit entweichen. Durch den dabei wirksamen [[Impuls]] entsteht die [[Schub]]kraft.

Als Grundlage für das [[Plasma (Physik)|Plasma]] eignen sich vor allem [[Argon]], [[Lithium]] und [[Wasserstoff]]. In Versuchslaboren wurden bereits unter Nutzung eines externen Magnetfeldes bei einem MPD-Antrieb Austrittsgeschwindigkeiten von 144.000 km/h (40 km/s) erreicht.

== VASIMR ==

[[Bild:Vasimr.png|mini|VASIMR-Schnittzeichnung]]
[[Bild:VASIMR diagram.jpg|mini|VASIMR Prinzipdiagramm]]
Eine Variante des magnetoplasmadynamischen Antriebes wird von dem US-Unternehmen ''[[Ad Astra Rocket Company]]'' entwickelt. Leiter ist der frühere siebenfache NASA-Astronaut und [[Plasmaphysik]]er [[Franklin Ramon Chang-Díaz]], der das Konzept schon 1979 bei seiner Arbeit am [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] entwickelte.

Bei ''VASIMR'' oder ''{{lang|en|Variable specific impulse magnetoplasma rocket}}'' erfolgen
# die Erzeugung des Plasma,
# dessen weitere Erhitzung und
# Beschleunigung in der Düse
in drei getrennten Kammern.

Damit ist eine Variation des Verhältnisses zwischen [[spezifischer Impuls|spezifischem Impuls]] und [[Schub]] möglich, analog zu der [[Getriebe]]schaltung eines [[Fahrzeug|Radfahrzeug]]s. Ein Raumfahrzeug könnte damit etwa zum Verlassen des Schwerefeldes eines Planeten einen hohen Schub erzeugen, um dann eine längere Strecke mit hoher Geschwindigkeit zurückzulegen.

VASIMR könnte somit perspektivisch eine deutlich höhere Effizienz als herkömmliche [[Raumschiff]]antriebe bieten, die Reisezeiten beim Raumflug innerhalb des [[Sonnensystem]]s auf Monats- oder gar Wochenzeitspannen verkürzen und damit auch für den Menschen praktikabel machen. Die Reisezeit Erde-Mars würde sich von mehr als 180 Tagen auf 39 Tage verkürzen.<ref>Online [[Wissenschaftsjournalismus|Wissenschaftsjournal]] [[:en:The Register|The Register]] [http://www.theregister.co.uk/2008/10/28/vasimr_plasma_first_stage_test/ vom 28. Oktober 2008: Plasma rocket space drive in key test milestone: Nuke tech could carry astronauts beyond Mars]</ref>

=== Aktueller Entwicklungsstand ===
Gegenwärtig wird an einer Vergrößerung der Leistung gearbeitet, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern; demnach werden aktuell 67 % erreicht. Die Veröffentlichungen über das VX-50-Aggregat, das 50 kW Radiowellen-Leistung einsetzt, berechnen einen Wirkungsgrad von knapp 59 % wie folgt:
:<math>\eta = \eta_{\text{ion generation}} \cdot \eta_{\text{ion speed boosting efficiency}} = 90\,\% \cdot 65\,\% = 58{,}5\,\%</math>

Das Modell VX-100 soll einen Gesamtwirkungsgrad von 72 % durch Verbesserung der N<sub>B</sub> ion speed boosting efficiency auf 80 % erreichen.<ref name="whitepaper">{{cite web|url=http://www.adastrarocket.com/AIAA2006.pdf|title=Recent Improvements In Ionization Costs And Ion Cyclotron Heating Efficiency In The VASIMR Engine|format=PDF; 1,3 MB|accessdate=2011-01-11|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160119120839/http://www.adastrarocket.com/AIAA2006.pdf|archivedate=2016-01-19|offline=yes|language=en}}</ref><ref name="whitepaper2007">{{cite web|url=http://www.adastrarocket.com/Jared_IEPC07.pdf|title=High Power VASIMR Experiments|format=PDF; 817 kB|accessdate=2011-01-11|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150226072114/http://www.adastrarocket.com/Jared_IEPC07.pdf|archivedate=2015-02-26|offline=yes|language=en}}</ref>

Im Oktober 2008 berichtete das Unternehmen, dass der VX-200-[[Helicon (Physik)|helicon]]-Motor in der ersten Stufe, ein Solid-state-Hochfrequenz-Leistungskoppler, einsatzbereit sei. Die Schlüsseltechnologie dazu, die Gleichstrom-Radiowellenumsetzung (solid-state DC-RF), erreiche hier einen Wirkungsgrad von 98 %.

Die Helicon-Entladung verwendet hier 30-kW-Radiowellen, um ein [[Argon]]-Plasma zu erzeugen. Die weiteren 170 kW werden eingesetzt, um das Plasma im zweiten Abschnitt zu beschleunigen, wozu ''ion cyclotron resonance heating'' (s. a. [[Zyklotronresonanz]]) eingesetzt wird.<ref name="VASIMR VX-200 first stage">{{cite web|url=http://www.adastrarocket.com/Release241008.pdf|title=Press Release: VASIMR VX-200 first stage achieves full power rating.|format=PDF; 729 kB|accessdate=2011-01-11|archiveurl=https://web.archive.org/web/20151105185042/http://www.adastrarocket.com/Release241008.pdf|archivedate=2015-11-05|offline=yes|language=en}}</ref>

=== ISS-Einsatz ===
Am 10. Dezember 2008 erhielt Ad Astra Company einen Auftrag von der [[NASA]], den Einbau und Test eines einsatzbereiten VF-200-Motors mit 200 kW Leistung auf der [[Internationale Raumstation|Internationalen Raumstation]] (ISS) vorzunehmen. Mit dem VF-200-Motor kann die Höhe der Station gehalten werden, ohne wie bisher immer wieder größere Mengen an Raketenbrennstoff zur ISS schaffen zu müssen. Der Start wurde erst für 2014 erwartet,<ref>{{internetquelle |autor=Thomas Hofstätter |hrsg=raumfahrer.net |url=http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/02062010150443.shtml |titel=Plasma-Antrieb könnte die Raumfahrt revolutionieren |datum=2010-06-10 |zugriff=2013-12-17}}</ref> und dann laut einer Publikation von Ad Astra<ref>{{internetquelle |url=http://www.adastrarocket.com/IEPC13-104%20Bering%20-%20CRD.pdf |format=PDF; 2,7 MB |titel=The ISS Space Plasma Laboratory: A Proposed Electric Propulsion On-Orbit Workbench |datum=2013-10-06 |zugriff=2014-02-19}}</ref> für 2015 geplant. VASIMR sollte wegen der hohen Leistungsaufnahme im Pulsbetrieb arbeiten, wobei die 15 Minuten dauernden Lastzyklen durch Akkus gepuffert werden sollten. Im Rahmen des [[Next Space Technologies for Exploration Partnerships]] (NextSTEP) Programms der NASA<ref>{{internetquelle |url=http://www.nasa.gov/press/2015/march/nasa-announces-new-partnerships-with-us-industry-for-key-deep-space-capabilities |titel=NASA Announces New Partnerships with U.S. Industry for Key Deep-Space Capabilities |datum=2015-03-30 |zugriff=2015-09-10}}</ref> wurden diese Planungen zugunsten einer Weiterentwicklung des Antriebs vorerst auf Eis gelegt (s. u.).

Basierend auf Tests des Vorgängers VX-100<ref name="VASIMR Performance Measurements at Power Exceeding 50kW">{{cite web|url=http://www.adastrarocket.com/ISGLP_JPSquire2008.pdf|title=Article: VASIMR Performance Measurements at Power Exceeding 50kW and Lunar Robotic Mission Applications.|format=PDF; 1,6 MB|accessdate=2011-01-11|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150226072105/http://www.adastrarocket.com/ISGLP_JPSquire2008.pdf|archivedate=2015-02-26|offline=yes|language=en}}</ref> erwartet man, dass der VF-200-Motor einen Wirkungsgrad von 60–65 % und einen Schub um 5 N erreicht. Der optimale spezifische Impuls wird um 5000 s erwartet, dies beim Einsatz von relativ günstigem Argon. Die spezifische Leistung wird auf 1,5 kg/kW geschätzt, womit dieser VASIMR-Motor etwa 300 kg wiegt.

Zwischen April und September 2009 wurden weitere Tests an dem VX-200-Prototyp mit integrierten supraleitenden Magneten vorgenommen. Damit konnte die Erweiterung des Leistungsbereiches auf die Einsatzleistung von 200 kW gezeigt werden.<ref>{{cite web|url=http://www.adastrarocket.com/Release_200kW_01Oct2009Final.pdf|title=Press Release 011009, September 30,2009: VASIMR® VX-200 reaches 200 kW power milestone.|accessdate=2011-01-11|format=PDF; 331 kB|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120301192252/http://www.adastrarocket.com/Release_200kW_01Oct2009Final.pdf|archivedate=2012-03-01|offline=yes|language=en}}</ref>

=== Weitere Zusammenarbeit zwischen NASA und Ad Astra ===
Am 31. März 2015 kündigt Ad Astra an, den Zuschlag für eine Weiterentwicklung des VASIMR-Antriebs im Rahmen des NextSTEP-Programms der NASA mit einem Umfang von fast 10 Millionen US-Dollar über drei Jahre erhalten zu haben.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.adastrarocket.com/AdAstraRelease033115final.pdf |format=PDF; 90 kB |titel=AD ASTRA ROCKET COMPANY WINS MAJOR NASA ADVANCED PROPULSION CONTRACT|datum=2015-03-31 |zugriff=2015-09-10}}</ref> Ad Astra hoffte, damit bis 2018 einen [[Technology Readiness Level]] größer 5 (TRL 5) für ein Triebwerk mit mehr als 100 Stunden kontinuierlicher Laufzeit zu erreichen.<ref>{{Internetquelle |autor= |url=http://adastrarocket.com/pressReleases/2018/ATL-AARC-(CSAapproved-for-release)-final.pdf |titel=Aethera Technologies Limited and Canadian Space Agency sign $1.5M R&D agreement boosting Ad Astra Rocket Company’s VASIMR development |werk=Aethera Technologies |datum=2018-06-26 |zugriff=2018-12-18 |sprache=en}}</ref> Weitere Tests könnten später im Weltraum stattfinden.<ref>''[https://www.gasworld.com/exclusive-interview-with-ad-astra-rocket/2017235.article Exclusive interview with Ad Astra Rocket]'', 27. Mai 2019.</ref>

== Energiequelle ==
Die größte Herausforderung bei MPD- wie auch VASIMR-Entwicklungen besteht in der Erzeugung der [[elektrische Leistung|elektrischen Leistung]], die bei sinnvollen Anwendungen im Megawattbereich läge. Eine Umwandlung aus chemischer Energie würde den Gesamtwirkungsgrad wieder unter das Niveau von chemischen Antrieben senken; [[Solarmodul|Solarpanels]] oder auch [[Radionuklidbatterie|Isotopenbatterien]] erreichen diese Leistungen in den bisher üblichen Größen nicht. Die Planungen setzen somit auf [[Kernspaltung]] oder auch [[Kernfusion]] als künftige Energiequellen für Raumantriebe.

== Siehe auch ==
* [[Magnetohydrodynamischer Antrieb]]
* [[Liste von Raumflugkörpern mit elektrischem Antrieb]]
* [[Gepulstes Plasmatriebwerk]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Magnetoplasmadynamic thruster|Magnetoplasmadynamischer Antrieb}}
* [http://www.irs.uni-stuttgart.de/forschung/elektrische_raumfahrtantriebe/triebwerke/mpd-tw/alt_ueberblick-mpd.html Allgemeine Erläuterung] – Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart
* [https://www.heise.de/tr/artikel/Zum-Mars-und-noch-viel-weiter-280381.html Technology Review: Zum Mars und noch viel weiter] – Gespräch mit Diaz über VASIMR
* [http://www.adastrarocket.com Ad Astra Rocket Company] – Entwickler des VASIMR
* [http://technology.jsc.nasa.gov/docs/Release%20061207-1.pdf Presseerklärung] zum Stand des VASIMR-VX-200-Prototypen (PDF-Datei; 91 kB)
* [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Konkurrenz-fuer-Raketenantrieb-192925.html heise.de Newsticker] – „Konkurrenz für Raketenantrieb“
* [https://www.heise.de/tr/artikel/Zum-Mars-und-noch-viel-weiter-280381.html Naone, E.: Zum Mars und noch viel weiter. Technology Review, 28. September 2007]
* {{Webarchiv | url=http://www.esa.int/esaMI/ESA_Permanent_Mission_in_Russia/SEMWMLMKPZD_1.html | wayback=20070915144921 | text=Hall-effect electrostatic engine}}

== Einzelnachweise ==
<references />
[[Kategorie:Antrieb nach Konstruktion]]
[[Kategorie:Alternative Raumfahrtkonzepte]]
[[Kategorie:Plasmaphysik]]

[[ru:Плазменный ракетный двигатель]]

Magnetoplasmadynamischer Antrieb - Versionsgeschichte

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