Sonnensegel

Sonnensegel (Entwurf)

Künstlerische Darstellung eines Sonnensegels

Cosmos-1 im entfalteten Zustand

Ein 20-Meter-Sonnensegel wird von der NASA getestet.

Die automatische Entfaltung eines Sonnensegels in wahrer Größe 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) ist ein Antrieb von Raumfahrzeugen, bei dem der Strahlungsdruck des Sonnenlichtes genutzt wird. Die Ideen dazu gab es schon in den 1920er Jahren vom deutschen Ingenieur Hermann Oberth (1923)^[1] oder vom russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski (1924)^[2]. Der Begriff Sonnensegeln (eng. "solar sailing") wurde erst später von Richard Garwin (1958) geprägt.

Zum umgangssprachlichen Begriff „Sonnensegel“ oder „Sonnenpaddel“ für die Solarmodule eines Raumfahrzeuges siehe unter Solarzelle oder Solarmodul.

Grundlagen

Beim Sonnensegel soll, ähnlich wie bei den Wind nutzenden Segelschiffen, der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Im Gegensatz zur verbreiteten Meinung spielt der Strahlungsdruck des Sonnenwindes (siehe auch Partikelstrahlung) eine vernachlässigbare Rolle, er beträgt nur etwa 1/1000 des gesamten Strahlungsdrucks.

Grundlage des Sonnensegels ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der besagt das ein Photon sich sowohl als Welle als auch als Teilchen beschreiben lässt. Durch den Teilchencharakter des Photons kann dieses einen Impuls auf ein Objekt übertragen. Diese Impulsübertragung ist die Antriebskraft des Sonnensegels und ist bei Satelliten ein Teilaspekt der zu Bahnstörungen führt. Der Impuls lässt sich beschreiben durch die De-Broglie-Wellenlänge zu:

$p=\frac{h}{\lambda}$

mit p [Ns] dem Impuls des Photons, h dem Planckschen Wirkungsquantum und λ [m] der Wellenlänge des Photons. Der Impuls wird einmal bei der Absorption des Photons und ein zweites Mal bei dessen Emission übertragen, was in Kombination der Reflexion entspricht.

Der Strahlungsdruck der Sonne im erdnahen Raum beträgt bei 100 % Reflexion gemäß Gl. 2-6^[3]:

$p_S = 2\cdot\frac{S_{0}}{c} = 9{,}126\cdot10^{-6} \frac{N}{m^2}$

mit p_S dem Strahlungsdruck, S₀ Bestrahlungsstärke bei Erdentfernung von 1368 W/m² und c der Lichtgeschwindigkeit.

Hieraus wird erkenntlich, dass der Strahlungsdruck pro Fläche relativ gering ist, so dass große Flächen benötigt werden, um eine entsprechend große Masse in einem angemessenen Maße beschleunigen zu können. Des Weiteren muss auch der Abstand zur Sonne berücksichtigt werden, der einen Einfluss auf den Bestrahlungsdruck hat. Einige Missionsideen sehen deshalb einen nahen Vorbeiflug an der Sonne vor (Abbildung 5^[4]), um den höheren Strahlungsdruck für höhere Beschleunigungen auszunutzen. Der Bestrahlungsdruck kann vereinfacht ausgedrückt werden durch:

$S=\frac{E_S}{4\cdot\pi\cdot r^2}$

mit E_S [W] der Leuchtkraft der Sonne und r [m] dem Abstand zur Sonne. S₀ ist dabei die Bestrahlungsstärke der Sonne bei Erdentfernung (r = 1 AE).

Praktische Versuche

1. Znamya (1993):
   • Erste Versuche, welche mit einem Sonnensegel durchgeführt wurden, begannen 1993 mit Sojus TM-16. Das Ziel der Mission war die Erprobung von Dünnschichtfolien und Entfaltmechanismen für Sonnensegel. In diesem Zusammenhang sollte das Sonnensegel jedoch nur als Reflektor dienen, um das Sonnenlicht zur Erde umzuleiten, z.B. zu den nördlichen polaren Regionen in der Zeit der Wintersonnenwende. Zur Experimentdurchführung dockte Sojus TM-16 von der russischen Raumstation Mir ab, entfernte sich auf eine Distanz von 250 m und begann mit der Entfaltung des 20-m-Segels. Hierbei traten Störungen auf, so dass das Segel nicht komplett ausgefahren werden konnte.^[5][6] Ein zweiter Versuch mit Znamya 2 wurde 1999 gestartet. Das Experiment schlug jedoch fehl.^[7]
2. DLR-Demonstrator (1999)
   • Das ESA/DLR-Projekt „Solar Sail“ konnte 1999 mit einer Bodendemonstration die Entfaltung eines 20 × 20 Meter 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 ihre ursprüngliche Steifigkeit wieder. Der Demonstrator wurde durch die NASA/JPL mittels der Bereitstellung eines Segelsegments unterstützt.^[8][2]
3. 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.^[9][10][11]
4. 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.^[10][12]
5. IKAROS (2010)
   • Erstmals wurde ein Sonnensegel bei der am 20. Mai 2010 gestarteten japanischen interplanetaren Raumsonde IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) eingesetzt, die zur Erprobung dieser Antriebsform dient.
6. NanoSail-D2 (2011)
   • Am 20. Januar 2011 öffnete der 4 kg schwere und 33 x 10 x 10 Zentimeter große Nanosatellit NanoSail-D2 etwas verspätet sein etwa 10 Quadratmeter großes Segel. Dieser gelangte am 17. Januar 2011 mit einer Minotaur-4-Trägerrakete ins All. Das NASA-Experiment dient neben der Erforschung der Entfaltungstechnik für Sonnensegel hauptsächlich dem Test einer Technologie, um Weltraummüll, z.B. ausgediente Satelliten, schneller im Erdorbit durch die Restatmosphäre abzubremsen und sie so zum Absturz zu bringen. Der Start von NanoSail-D war 2008 nach einem Raketenfehler fehlgeschlagen.^[13]

Graphen

Graphen, ein Material aus Kohlenstoffatomen, hat eine Flächenmasse von 7,57×10⁻⁷ kg·m⁻², ein Absorptionsvermögen für sichtbares Licht von 2,3 %, und eine Reissfestigkeit von 42 N·m⁻¹ (ein Band aus Graphen von 1 m Breite und 0,335 nm Dicke hält 42 N aus) oder 125 GPa. Ein Sonnensegel aus Graphen würde, wenn es im Weltraum im Abstand des Erdbahnradius von der Sonne quer zur Sonnenstrahlung mit 1367 W·m⁻² schweben würde, einen Strahlungsdruck von 1,049×10⁻⁷ Pa aufnehmen, und nach Abzug der Gravitationsbeschleunigung durch die Sonne von 0,00593 m·s^-2 mit einer Nettobeschleunigung von 0,1326 m·s^-2 von der Sonne weg fliegen, so dass es pro Tag um 11.458 m·s^-1 schneller werden würde. Wenn das Segel so wie die Erde mit 29.780 m·s^-1 um die Sonne kreisen würde, dann ist der Abzug der Gravitationsbeschleunigung durch die Sonne nicht erforderlich, weil diese bereits durch die Fliehkraft auf der Erdumlaufbahn kompensiert wird, und die Beschleunigung des Segels würde dann 0,1385 m·s^-2 betragen. Wenn das Graphen-Sonnensegel aus mehreren Schichten Graphen bestehen würde, dann würde das nur wenig an seinem Beschleunigungsverhalten ändern, weil mit mehr Masse auch mehr Strahlungsdruck hinzu kommen würde, solange die Anzahl der Schichten nicht zu groß wird. Man könnte, um einen Rahmen einzusparen, das Graphensegel flach spannen und seine Lage im Raum stabilisieren, indem man das Segel um eine Achse rotieren lässt, die senkrecht zu seiner Fläche steht, so wie bei einer Schallplatte. Alternativ dazu könnte man das kreisscheibenförmige Segel mit einem gasgefüllten Torus aus Graphen umgeben und aufspannen. In beiden Fällen wäre es günstig, die Komponenten der Nutzlast auf der Schattenseite des Segels möglichst gleichmäßig zu verteilen, um die Seile einzusparen. Graphen und Graphit haben einen Schmelzpunkt von 3700 °C. 76 cm breite, endlose Bänder aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, durch Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt, und dann das Trägermaterial auflöst.

Siehe auch

• GeoSail: Vorstudien zu einem Konzept zur Erforschung der Erdmagnetosphäre.
• Iridium-Flare
• Magnetsegel: Generierung eines großen Magnetfelds, zur Abstoßung vom Sonnenwind.
• Raketenantrieb
• Sonnenschutzsegel
• Aalto-1
• ESTCube-1

Literatur

• Colin Robert McInnes: Solar sailing: Technology, Dynamics and Mission Applications. Springer-Verlag, London u. a. 1999, ISBN 1-85233-102-X.

Weblinks

• Wie kann man auf Licht segeln? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri
• A Solar Sail Timeline
• M2P2, Space Propulsion at the University of Washington
• M2P2, Dashing and Coasting to the Interstellar Finish Line
• Vorschlag des JPL für eine Raumsonde, die das Sonnensystem mittels Solarsegel verlassen soll
• La voile solaire: Cosmos-1
• U3P (Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique: course Terre-Lune, voile Libellule-Dragonfly, actualité,...)
• GeoSail: ESA-Studie zu einem möglichen Missionskonzept
• Interstellar Heliopause Probe: ESA-Studie zu einem möglichen Missionskonzept
• Space Files: Solar sail mission to rise again? 29. November 2007

Einzelnachweise

1. ↑ Hermann Oberth: Die Rakete zu den Planetenräumen. Michaels-Verlag, 1984, ISBN 3-89539-700-8.
2. ↑ ^{a b} C. Garner u. a.: A Summary of Solar Sail Technology Developments and Proposed Demonstration Missions. NASA/JPL/ DLR, 1999, abgerufen am 11. November 2011 (PDF, englisch). 
3. ↑ Gajus Pagel: Extremale Steuerstrategien für Sonnensegler am Beispiel von Bahntransferproblemen zum Erdmond. Technischen Universität Berlin, 2002, abgerufen am 6. November 2011 (PDF, deutsch). 
4. ↑ R. A. Mewaldt, P. C. Liewer: An Interstellar Probe Mission to the Boundaries of the Heliosphere and Nearby Interstellar Space. 1999, abgerufen am 5. Juni 2011 (PDF, englisch). 
5. ↑ Mir Hardware Heritage Part 2 - Almaz, Salut and Mir / Znamya (S. 138). NASA, abgerufen am 11. November 2011 (PDF, englisch). 
6. ↑ Jürgen Morawietz: Znamya und das “Dritte Licht”. Abgerufen am 11. November 2011 (PDF, deutsch). 
7. ↑ G. Tibert, M. Gärdsback: Space Webs - Final Report / Znamya (S. 5/6). ESA, abgerufen am 11. November 2011 (PDF, englisch). 
8. ↑ M. Leipold u. a.: Solar Sails for Space Exploration – The Development and Demonstration of Critical Technologies in Partnership. ESA, Juni 1999, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch). 
9. ↑ L. Herbeck u. a.: Solar Sail Hardware Developments. ESA/DLR, Kayser-Threde, 2002, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch). 
10. ↑ ^{a b} D. Coulter: A Brief History of Solar Sails. NASA, 31. Juli 2008, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch). 
11. ↑ E. Reichl, S. Schiessl: Space 2006 – Mit Chronik des Raumfahrtjahres 2005. 2006. (www.vfr.de Verein zur Förderung der Raumfahrt)
12. ↑ O. Mori u. a.: Dynamic and Static Deployment Motions of Spin Type Solar Sail. ISAS/JAXA, 2004, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch). 
13. ↑ NASAfacts - NanoSail-D. NASA, 2010, abgerufen am 12. November 2011 (PDF, englisch).