Sonnensegel

Künstlerische Darstellung eines Sonnensegels

Cosmos-1 im entfalteten Zustand

Eines der beiden 20-Meter-Sonnensegel, deren Entfaltung 2005 von der NASA getestet wurden.

Die automatische Entfaltung eines Sonnensegels wurde 1999 von DLR/ESA getestet.

Ein NASA-Ingenieur hält ein Kohlenstoffgewebe-Material in den Händen, aus dem einst Sonnensegel bestehen könnten

Das Sonnensegel (auch Solarsegel, engl. SSP - 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) oder vom russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski (1924). Der Begriff Sonnensegeln (eng. "solar sailing") wurde erst später von Richard Garwin (1958) geprägt.

Typische Planungen sehen Missionsdauern von vielen Jahren vor, sowie nahe Vorbeiflüge an der Sonne, um die quadratische Abstandsabhängigkeit der Intensität für höhere Beschleunigungen auszunutzen. Die technologische Herausforderung besteht darin, Folien im Weltraum zu entfalten und zu manöverieren, die mindestens 10fach dünner sind als ein Haar und groß wie ein Fußballfeld.

Während die NASA die Entwicklung einstellte, hat Japan 2010 IKAROS erfolgreich getestet: Während sechs Monaten betrug die durch Lichtdruck bewirkte Geschwindigkeitsänderung 100 m/s.

Grundlagen

Beim Sonnensegel soll der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Dass elektromagnetische Wellen auf Materie Druck ausüben, hat James Clerk Maxwell 1873 theoretisch gezeigt. Leichter lässt sich die Ursache des Strahlungsdrucks im Teilchenbild, also bei der Betrachtung des Sonnenlichts als Photonenstrom veranschaulichen. Photonen, die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen sowohl Energie E als auch Impuls p, wobei das Verhältnis durch die Lichtgeschwindigkeit c gegeben ist:

$\frac{p}{E}=c^{-1}=$  3,34 μN/kW.

Die Reflexion eines Photons am Sonnensegel stellt einen elastischen Stoß dar, bei dem Impuls auf das Segel übertragen wird, je nach Einfallswinkel des Photons, bis zum Doppelten des Photonenimpulses.

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. Der auf die Segelfläche bezogene, wirksame Impuls beträgt dann weniger als 4 μN/m². Es werden also sehr große Flächen benötigt, um selbst kleine Massen nennenswert zu beschleunigen. Dabei muss das Segel sehr leicht, also dünn sein, da es sonst bei angemessener Größe viel schwerer als die Nutzlast würde. Bei einem Massebelag von 10 g/m², einschließlich Nutzlast, läge die Beschleunigung bei 0,3 mm/s² und ein Geschwindigkeitszuwachs von 10 km/s würde über ein Jahr dauern.

Der Druck des Sonnenwindes hingegen (vor allem durch schnelle Protonen) vergleichsweise gering: Seine Kraftwirkung auf die irdische Magnetosphäre ist etwa 90 % kleiner als die Wirkung des Lichtdrucks auf die Erdoberfläche. Magnetsegel profitieren aber von enormen Ausmaßen bei geringer Masse.

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.

DLR-Demonstrator (1999)

Das ESA/DLR-Projekt „Solar Sail“ konnte 1999 mit einer Bodendemonstration die Entfaltung eines 20×20 m² großen Sonnensegels erfolgreich demonstrieren. Der Demonstrator besteht aus vier CFK-Auslegern, die beim Entfalten durch das zentrale Modul das Kapton-Segel aufspannen. Die Besonderheit der Ausleger ist, dass diese Röhren aus zwei Halbschalen bestehen und im zusammengerollten Zustand (analog eines Feuerwehrschlauchs) transportiert werden. Nach dem Ausrollen der Ausleger erhalten diese wieder ihre ursprüngliche Form und damit Steifigkeit. Das JPL der NASA steuerte ein Segelsegment zum Demonstrator bei.

Cosmos 1 (2001)

2001 fand ein suborbitaler Test von Cosmos Studios und der Planetary Society statt, der allerdings aufgrund eines Fehlers der verwendeten Wolna-Rakete fehlschlug. Ein weiterer Versuch mit dem Satelliten Cosmos 1 am 21. Juni 2005 schlug ebenfalls wegen eines Raketenfehlers fehl. Das Experiment sollte die gezielte Erhöhung der Orbitalenergie mit Hilfe von Solarsegeln testen. Cosmos 1 verwendete 5 µm dicke aluminiumbeschichtete Mylar-Segel. Bei erfolgreicher Finanzierung plant die Planetary Society die Durchführung von Cosmos-2.

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 Enfaltungsmechanismus 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.

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 etwas verspätet sein etwa 10 m² großes Segel. Das NASA-Experiment dient neben der Erforschung der Entfaltungstechnik für Sonnensegel hauptsächlich dem Test einer Technologie, um Weltraummüll, z.B. ausgediente Satelliten im Erdorbit, schneller durch die Hochatmosphäre abzubremsen und sie so zum Absturz zu bringen. Der Start von NanoSail-D war 2008 nach einem Raketenfehler fehlgeschlagen.

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.

Design

Ein Paper der NASA unterscheidet die folgenden drei Arten:

1. dreiachs-stabilisierte quadratische Segel
2. spin-stablisierte Rotorblatt Segel (eng.: Heliogyro)
3. spin-stablisierte kreisförmige Segel

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 Entfaltmechanismus auf Fliehkraft, was dazu führte, dass der Satellit eine Spinstabilisation besitzt. Demzufolge muss zum einen zwischen den Entfaltmechanismen (Fliehkraftausnutzung, mechanisches Ausfahren, …), der Satellitenstabilisierung (Spinstabilisation, Dreiachsenstabilisation, …) und der Segelgeometrie (quadratisch, kreisförmig, Rotorblatt-ähnlich, …) unterschieden werden.

Material

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 Reflektionsvermögen generieren.

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

• City University of New York: A Solar Sail Timeline
• Jet Propulsion Laboratory: Antriebskonzept für eine Raumsonde zur Erforschung der Grenzen des Sonnensystems
• The Planetary Society: LightSail – Solar Sailing
• ESA: GeoSail, ein Missionskonzept
• ESA: Interstellar Heliopause Probe, ein Missionskonzept