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"Prinzip Bratpfanne" macht Mondreisen preiswert

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Das Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart füttert Satellitentriebwerke mit Teflon


Teflon kennt man als Beschichtung für Antihaft-Pfannen. Das innovative Material, das eigentlich Polytetrafluorethylen heißt, kommt aber auch in der Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz. Wissenschaftler des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart (IRS) haben ein Verfahren entwickelt, um das Antihaftmittel für den Antrieb von Satelliten zu nutzen. Zuverlässigkeit und einfache Handhabung sind die Trümpfe des ebenso kompakten wie robusten neuen Triebwerksystems, das bei der baden-württembergischen Mondmission zum ersten Mal eingesetzt werden soll. Angetrieben von 50 Kilogramm Teflon wird der IRS-eigene Klein-Satellit "Lunar Mission BW1" zwei Jahre lang zum Mond fliegen. Die vergleichsweise lange Reisedauer nimmt man zugunsten des sparsamen Antriebs in Kauf. Für seine bisherigen Forschungsarbeiten erhielt das IRS bereits den Plunkett Award 2007 des Unternehmens DuPont, in dessen Laboratorien das Material Teflon vor 70 Jahren "versehentlich" entwickelt wurde.

Wer Spiegeleier oder Eierkuchen mühelos aus der Pfanne bekommen will, greift gerne zu einem mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichteten Modell. Den Verbrauchern in aller Welt ist PTFE seit über 50 Jahren unter der Markenbezeichnung Teflon bekannt. Dieses Material ist allerdings viel mehr als nur ein Antihaftmittel. In der Luft- und Raumfahrttechnik etwa findet es seit Jahrzehnten als Kabelisolierung, in Hitzeschutzkacheln oder als Isolationsschicht für Raumanzüge Verwendung. Die Apollo-Mondlandefähren hatten mehrere Hundert Kilogramm Teflon an Bord, selbst die Sammelbehälter für das Mondgestein bestanden aus PTFE.

Zum Zünden genügt eine simple Bosch-Kerze

Die Idee, Teflon als Treibstoff zu nutzen, stammt schon aus den 1960er Jahren. Wissenschaftler des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart (IRS) entwickelten nun ein zuverlässiges Verfahren, das es ermöglicht, PTFE als Antriebssystem für Satelliten einzusetzen. "Russland benutzt Teflon für die Lage- und Bahnregelung von Satelliten, aber eben nicht als Hauptantrieb", erklärt Dr. Georg Herdrich, Fachbereichsleiter am IRS. Für die baden-württembergische Mondmission, die den Klein-Satelliten "Lunar Mission BW1" zum Mond bringen soll, sind die aus wenigen einfachen Teilen bestehenden kleinen Triebwerke jedoch ideal.
Ob in der Nachrichtenübertragung oder bei Forschungssonden zur Erkundung des Weltraums - wo immer Satelliten unterwegs sind, werden sie von Triebwerken auf Kurs gehalten. Das am IRS entwickelte instationäre magnetoplasmadynamische (I-MPD) Triebwerk gewährleistet eine präzise Lage-Bahnregelung. "Der Vorteil elektrisch gepulster I-MPD-Triebwerke, denen Teflon als Festtreibstoff zugeführt wird, liegt in der Zuverlässigkeit und einfachen Handhabung des robusten und kompakten Gesamtsystems", erläutert Anuscheh Nawaz, die eines der beiden Triebwerke, die den Satelliten zum Mond bringen sollen im Rahmen ihrer Doktorarbeit am IRS entwickelte. "Mit sehr kleinen Puls-Bits können wir den Satelliten extrem genau auf sein Ziel einstellen, außerdem können wir die Triebwerke beliebig oft zünden."
Der Prototyp hat einen Durchmesser von nur 40 Zentimetern und besteht aus einer ringförmigen Führung für das Teflon. In der Mitte des Rings sitzen als Kondensatoren vier kleine Tanks. Über zwei Kupferelektroden an der Vorderseite wird das Triebwerk durch eine simple Zündkerze in Gang gesetzt. Auf der Oberfläche des Treibstoffs fließt Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Indem elektrisch geladene Teflon-Partikel aus dem Triebwerk heraus beschleunigt werden, entstehen die Impulse, die den Satelliten antreiben.
Vergleichbare Antriebe wurden zwar schon zur Korrektur der Flugbahn von Raumfahrzeugen eingesetzt, weil sich der Schub genau dosieren lässt - für Reisen zum Mond jedoch noch nie. "Wir haben uns der Herausforderung angenommen, eine solche Lösung als so genanntes Marschtriebwerk zum Mond einzusetzen", sagt Dr. Georg Herdrich. "Die anspruchsvollste Aufgabe besteht jetzt darin, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, 50 Kilogramm Treibstoff so unterzubringen, dass er auf der zweijährigen Reise konstant nachgeschoben wird, damit uns die Mission nicht auf halbem Weg abschmiert."

Bietigheim-Bissinger Unternehmen liefert Teflon, das höchsten Ansprüchen genügt

Bei bisherigen Teflon-Antrieben genügte eine Stange PTFE, die durch eine Feder solange nachgeschoben wurde, bis sie verbraucht war. Die neue IRS-Lösung verteilt den Treibstoff auf zwei Platz sparende Spiralen, die von zwei Seiten an den Punkt heran geführt werden, an dem der Funke zündet.
Da der Treibstoff auf der Reise zum Mond starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, gelten für die Herstellung höchste Ansprüche. Auf der Grundlage des vom IRS erarbeiteten Designs gelang es der ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH aus Bietigheim-Bissingen in der Region Stuttgart, die Teflon-Spiralen spannungsfrei und präzise anzufertigen. "Die so hergestellten PTFE-Spiralen lassen sich auf den Millimeterbruchteil genau in Form bringen und bauen selbst unter unwirtlichen Bedingungen, wie wir sie im All haben, keine Spannungen im Material auf", sagt Dr. Georg Herdrich. "Auch deshalb eignet PTFE sich perfekt für einen festen Satellitentreibstoff." Die besondere Molekülstruktur ermögliche es zudem, auch die für Langzeitmissionen, wie etwa einen Flug zum Mars, benötigten Mengen auf engstem Raum zu lagern.
Die Mondmission BW1 soll pünktlich zur Einweihung des neuen "Raumfahrt-zentrums Baden-Württemberg" in Stuttgart im Jahr 2011 starten. Dafür wird der Satellit Lunar BW1 mit einer Rakete der ESA oder NASA in den Weltraum geschossen; die eigentliche Strecke wird er mit Hilfe des Teflontreibstoffs selbst bewältigen. Mit einem der schnelleren chemischen Antriebe müsste der Satellit die dreifache Treibstoffmenge mitführen, er wäre dann allerdings auch nicht wie Lunar BW1 zwei Jahre lang unterwegs. Dank des geringeren Gewichts wird für den Start aber keine besonders leistungsfähige Rakete benötigt, sodass der verlängerten Reisezeit vergleichsweise bescheidene Kosten gegenüber stehen.

Dieses Treibstoffsystem hat noch reichlich Potenzial

An seinem Ziel angekommen, soll Lunar BW1 mit innovativen Experimenten die Oberfläche und die unmittelbare Umgebung des Erdtrabanten erforschen sowie Erkenntnisse über den Staubfluss in seiner Umlaufbahn gewinnen. Dass die Beschäftigung mit Teflon für das IRS mit dem Start des Satelliten nicht abgehakt wird, liegt auf der Hand. "Dafür hat dieses Treibstoffsystem viel zu viel Potenzial", sagt Dr. Georg Herdrich. Eine Marktstudie hat diese Annahme mit Fakten untermauert - die NASA ist an einer intensiveren Zusammenarbeit interessiert.
Welche Bedeutung den Forschungsarbeiten des IRS inzwischen beigemessen wird, zeigt der Umstand, dass Dr. Georg Herdrich und Anuscheh Nawaz sowie Dr. Michael Schlipf, der bei ElringKlinger für die Qualität des Teflons verantwortlich ist, mit dem DuPont Plunkett Award 2007 ausgezeichnet wurden. Diesen Preis vergibt das Unternehmen DuPont aus Philadelphia, USA, in dessen Laboratorien der Chemiker Roy Plunkett das Material Teflon versehentlich entwickelte: PTFE entstand durch ungewollte Reaktionen bei einem Laborunfall; der damals 27-jährige Plunkett entdeckte seine verblüffenden Eigenschaften eher zufällig. Die weit verbreitete Geschichte von der "Wundersubstanz Teflon" als Nebenprodukt der Weltraumforschung stellt die Tatsachen also auf den Kopf: Die Teflonpfanne wurde erstmals im Jahr 1954 in Frankreich angeboten - drei Jahre vor dem ersten Sputnik-Start.
zk-som

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E-Mail herdrich@irs.uni-stuttgart.de, www.irs.uni-stuttgart.de

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Tel. 07142-5830, www.elringklinger


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