Sonnensegel (Raumfahrt)

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Das Sonnensegel, auch Lichtsegel, Photonensegel oder Solarsegel genannt, ist ein Konzept, bei dem der Strahlungsdruck des Sonnenlichtes zum Antrieb von Raumsonden genutzt werden soll (englisch solar-sail propulsion, SSP). Ähnliche Ideen hatten in den 1920er Jahren schon der deutsche Ingenieur Hermann Oberth (1923)[1] und der russische Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski (1924)[2]. Der Begriff des Sonnensegelns (englisch „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 den IKAROS erfolgreich.

Konzept[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 beträgt dann etwa 4 µN.

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.[4]

Praktische Versuche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Znamya-2 (1993)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[5][6]

DLR-Demonstrator (1999)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[7][2]

Künstlerische Darstellung des Modells Cosmos-1 der Planetary Society

Cosmos 1 (2001)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[8] 2005 verhinderte ein Versagen schon der ersten Stufe einen orbitalen Einsatz in 800 km Höhe.[9] Das Experiment sollte eine Erhöhung der Orbits durch das Solarsegel nachweisen.[8]

Raumfahrtagentur ISAS (2004)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[10][11]

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

NASA Glenn Research Center (2005)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im weltgrößten Simulator für Weltraumbedingungen, der Plum Brook's Space Power Facility, wurde 2005 die Entfaltung zweier konkurrierender Sonnensegelkonstruktionen getestet.[12]

IKAROS (2010)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kraftwirkung auf ein Sonnensegel im All wurde erstmals mit der am 20. Mai 2010 gestarteten japanischen interplanetaren Raumsonde IKAROS gemessen. Während sechs Monaten betrug die durch Lichtdruck bewirkte Geschwindigkeitsänderung 100 m/s.[13]

NanoSail-D2 (2011)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[14]

Sunjammer (2014)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Sunjammer sollte ein 38 m × 38 m großes Sonnensegel entfalten und die Manövrier- und Navigierbarkeit des Segels zeigen. Als Starttermin wurde zunächst Ende 2014 genannt und wurde später auf Januar 2015 verschoben. Das Projekt wurde schließlich im Oktober 2014 noch vor dem Start eingestellt.[15][16]

LightSail (2015)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Technologiedemonstrator für Lightsail 2, 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]

LightSail 2 (2019)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

LightSail 2 ist ein 5 kg schwerer, experimenteller 3U-Cubesat der Planetary Society. Gemeinsam mit verschiedenen Nutzlasten des amerikanischen Verteidigungsministeriums und der NASA wurde er am 25. Juni 2019 mit einer Falcon Heavy von SpaceX in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht. LightSail 2 ist nicht darauf ausgelegt, die Erdumlaufbahn zu verlassen. Der Satellit besitzt ein 32 Quadratmeter großes, quadratisches Sonnensegel,[18][19][20] das am 23. Juli 2019 entfaltet wurde.[21] Innerhalb einer Woche wurde das Apogäum der Umlaufbahn durch Sonnensegelantrieb um etwa zwei Kilometer angehoben. Nach Angabe der Planetary Society handelte es sich um die erstmalige erfolgreiche Demonstration eines reinen Sonnensegelantriebs im Erdorbit.[22]

SIASAIL-1 (2019)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Institut für Automatisierung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shenyang (中国科学院沈阳自动化研究所) hatte auf dem am 31. August 2019 mit einer Festtreibstoffrakete vom Typ Kuaizhou-1A vom Kosmodrom Jiuquan gestarteten Forschungssatelliten Xiaoxiang-1 07 (潇湘一号07卫星) der SpaceTY GmbH aus Changsha (长沙天仪空间科技研究院有限公司)[23][24] einen Apparat installiert, der kleiner als eine Billardkugel war und in dem sich ein zusammengefaltetes Sonnensegel mit dem Mastmechnismus befand. In einem ersten Schritt wurde das Gerät mit dem Namen SIASAIL-1 (天帆一号, PinyinTiānfān Yīhào, deutsch: „Himmelssegel 1“) aus dem Gehäuse des Satelliten ausgefahren und um 90° gedreht. Danach wurden aus den Ecken des Apparats vier Masten ausgefahren, die das 0,6 m² große, quadratische Segel (siehe unten) aufspannten, ein Prozess, der am 25. Dezember abgeschlossen und verifiziert war.[25] Im weiteren Verlauf soll erprobt werden, inwieweit das kleine Segel den 8 kg schweren Satelliten aus der Bahn heben kann.[26][27][28]

Bei dem am 21. Januar 2019 gestarteten Vorgängersatelliten Xiaoxiang-1 03 war ein ähnliche großes, zweigeteiltes Segel nicht als Antrieb gedacht, sondern als Methode, um den Kleinsatelliten, nachdem er seine Aufgabe erfüllt hatte, wieder in die Erdatmosphäre eintreten zu lassen und so die Menge des Weltraummülls in niederen Umlaufbahnen zu reduzieren. Zwischen November 2019 und Mai 2020 durchgeführte Beobachtungen zeigten, dass sich mit dem Sonnensegel die Zeit bis zum Wiedereintritt von 16 auf 6 Jahre verkürzte, in Jahren mit hoher Sonnenaktivität auf 1 Jahr.[29]

Near-Earth Asteroid Scout (ca. 2021)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der NEA-Scout ist eine 6U-Cubesat-Raumsonde der NASA, die mit der Mondmission Artemis 1 starten und an dem Asteroid 1991 VG vorbeifliegen soll. Das Sonnensegel ergänzt dabei einen konventionellen Kaltgasantrieb.[30][31]

Systemkomponenten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Papier der NASA unterscheidet die folgenden drei Arten[32]:

  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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Hermann Oberth: Die Rakete zu den Planetenräumen. Michaels-Verlag, 1984, ISBN 3-89539-700-8.
  2. a b c d C. Garner u. a.: A Summary of Solar Sail Technology Developments and Proposed Demonstration Missions. (PDF; 1 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. 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, archiviert vom Original am 21. Juli 2011; abgerufen am 5. Juni 2011 (englisch).
  5. 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).
  6. Gunnar Tibert, Mattias Gärdsback: Space Webs – Final Report / Znamya (S. 5/6). (PDF; 6,5 MB) ESA, abgerufen am 11. November 2011 (englisch).
  7. 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).
  8. a b L. Herbeck u. a.: Solar Sail Hardware Developments. (PDF; 522 kB) ESA/DLR, Kayser-Threde, 2002, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  9. E. Reichl, S. Schiessl (vfr.de): Space 2006 – Mit Chronik des Raumfahrtjahres 2005
  10. D. Coulter: A Brief History of Solar Sails. (PDF) NASA, 31. Juli 2008, abgerufen am 12. November 2011 (englisch).
  11. 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).
  12. Glenn Research Center: Sailing on Sunbeams: Solar Power to Advance Interplanetary Travel, 13. Mai 2005.
  13. Yuichi Tsuda: Solar Sail Navigation Technology of IKAROS. JAXA. 2011. Abgerufen am 18. März 2012.
  14. NASA's Nanosail-D ‘Sails’ Home – Mission Complete, 29. November 2011.
  15. Solar Sail Demonstrator (‘Sunjammer’)
  16. Dan Leone: NASA Nixes Sunjammer Mission, Cites Integration, Schedule Risk. In: spacenews.com, 17. Oktober 2014. 
  17. Werner Pluta: Lightsail: Segeln vor dem Sonnenwind. Golem.de, 9. Juli 2015, abgerufen am 13. Juli 2015.
  18. Ein Satellit setzt Segel, um sich sachte vom Sonnenlicht schubsen zu lassen. Neue Zürcher Zeitung vom 25. Juni 2019
  19. The Planetary Society lightsail-factsheet-2019
  20. Lightsail 2 has launched
  21. Planetary Society: DEPLOYMENT COMPLETE! 23. Juli 2019, abgerufen am 23. Juli 2019 (englisch).
  22. Jason Davis: LightSail 2 Spacecraft Successfully Demonstrates Flight by Light. Planetary Society, abgerufen am 31. Juli 2019.
  23. 沈阳自动化所在轨进行太阳帆关键技术试验取得成功. In: sia.cn. 25. Dezember 2019, abgerufen am 29. Dezember 2019 (chinesisch).
  24. Company. In: en.spacety.com. Abgerufen am 29. Dezember 2019 (englisch).
  25. Wu Yong: Solar sail in earth orbit is big breakthrough for China. In: chinadaily.com.cn. 27. Dezember 2019, abgerufen am 29. Dezember 2019 (englisch).
  26. 我首次完成太阳帆在轨关键技术试验. In: cnsa.gov.cn. 27. Dezember 2019, abgerufen am 29. Dezember 2019 (chinesisch).
  27. Gunter Dirk Krebs: Xiaoxiang 1-07 (TY 1-07). Abgerufen am 29. Dezember 2019 (englisch).
  28. 不凡的大国: 又得突破,我国新技术成功完成试验,外媒:中国正在引领世界发展. In: mbd.baidu.com. 13. Januar 2020, abgerufen am 13. Januar 2020 (chinesisch).
  29. 潇湘一号03星完成我国首个在轨展开离轨帆实验,将离轨时间缩短至1年. In: spaceflightfans.cn. 18. Mai 2020, abgerufen am 18. Mai 2020 (chinesisch). Dies ist ein anderes Konzept als bei dem internationalen Versuchssatelliten DeorbitSail-1 von 2015, bei dem kein Sonnensegel verwendet wurde, sondern ein mit der Atmosphäre interagierendes Bremssegel.
  30. NEA Scout. NASA, abgerufen am 3. Juli 2019 (englisch).
  31. Gunter Dirk Krebs: NEA-Scout. Abgerufen am 3. Juli 2019 (englisch).
  32. NASA facts – Solar Sail Propulsion. (PDF; 148 kB) NASA, April 2005, abgerufen am 19. November 2011 (englisch).