VASIMR steht als Kürzel für Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. Bei diesem Plasmaantrieb für die Raumfahrt wird der Treibstoff durch elektromagnetische Wellen geheizt. Das Plasma erreicht dabei Temperaturen von über 50.000°C. Diese Antriebstechnologie könnte die Reiszeit zum Mars auf etwa drei Monate verkürzen, sobald sie die Praxisreifer erlangt hat.

In der VASIMR durchläuft das Plasma nacheinander drei Kammern. In denen wird

1. das Plasma erzeugt,
2. weiter aufgeheizt und
3. in der Antriebsdüse nach draußen beschleunigt.

Damit kann das Plasma über weite Bereiche der Temperatur und Dichte kontrolliert werden. So lassen sich bei gegebener Leistung der Schub und die Ausströmgeschwindigkeit stufenlos in ihrem Verhältnis zueinander verändern, beispielsweise starker Schub bei geringer Ausströmgeschwindigkeit oder schwacher Schub bei hoher Ausströmgeschwindigkeit. Ein Raumfahrzeug kann dadurch in der Nähe eines Planeten mit hohem Schub dessen Anziehungsbereich verlassen und dann auf hohe Ausströmgeschwindigkeit schalten. Die Beschleunigung ist dann zwar kleiner, aber es kann eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden. Denn die Endgeschwindigkeit ist nach der Raketengrundgleichung im Wesentlichen v = u ln(M0/M1). Dabei ist u die Ausströmgeschwindigkeit, M0 die Masse des Raumschiffs bei Zündung des Antriebs und M1 die Masse des Raumschiffs beim Abschalten des Antriebs.

Prinzip des VASIMR. Einblasung des gasförmigen Treibstoffs (1), vorzugsweise Wasserstoff, in ein Quartzrohr (2). Eine Helikonantenne (3) ionisiert das Gas und erzeugt so das Plasma. (Supraleitende) Magnetspulen (4) schließen das Plasma mit ihrem Magnetfeld ein. Die ICRH-Antenne (5) heizt das Plasma auf. Das ausströmende Plasma wird durch eine magnetische Düse (6) nach draußen gelenkt. Grafik: NASA

VASIMR kommt im Gegensatz zu anderen elektrischen Antrieben ohne Elektroden im Bereich des Antriebstrahls aus; sie können daher auch nicht verschleißen. Die elektrische Energie wird stattdessen durch elektromagnetische Wellen eingespeist. Das Plasma wird in einem Magnetfeld eingesperrt, kommt also nicht direkt mit der Plasmakammer in Berührung. Dadurch wird die Plasmaerosion vermindert. Im Vergleich mit anderen elektrischen Raumfahrtantrieben wird daher für VASIMR eine höhere Lebensdauer erwartet.

Anwendungsmöglichkeiten

VASIMR kann an unterschiedliche Missionstypen angepasst werden, an langsame, unbemannte Frachttransporte ebenso wie an schnelle Transporte von Astronauten mit kleiner Nutzlast. Genauso gut kann er als Oberstufe Satelliten in der Erdumlaufbahn positionieren oder die Bahn der Internationalen Raumstation anheben.

Interplanetares Missionsprofil

Ein direkter Einschuss auf eine interplanetare Flugbahn ist mit VASIMR im Gegensatz zum chemischen Antrieb bisher nicht möglich. Denn der Schub des Plasmaantriebs ist zumindest während der ersten Entwicklungsstufen zu klein.

Aus der Umlaufbahn um einen Planeten würde VASIMR daher zwar mit erhöhtem Schub, aber spiralförmig beschleunigen. Danach würde eine stetige Beschleunigungsphase beispielsweise in Richtung Mars mit verringertem Schub folgen. Nach der halben Wegstrecke würde das Raumschiff gedreht und der Antrieb entgegen der Flugrichtung gezündet werden, um langsam und stetig abzubremsen. Eventuell würde zusätzlich mithilfe der Reibung der Marsatmosphäre gebremst werden.

Im Gegensatz zum chemischen Antrieb könnte VASIMR sehr lange zumindest einen verringerten Schub liefern. Das ist vorteilhaft für bemannte Missionen. Denn durch die stetige Beschleunigung wird zumindest eine geringe künstliche Schwerkraft erzeugt.

Interplanetare Missionen könnten im Notfall aktiv abgebrochen werden. Denn dank des variablen Antriebs ließe sich das Raumschiff zumindest während der ersten Flugphasen direkt zur Erde zurückmanövrieren.

VASIMR würde im Praxisbetrieb meistens Wasserstoff als Brennstoff nutzen, das im Sonnensystem weit verbreitet ist. Der Wasserstoff könnte daher am Ziel oder an einem Zwischenstopp nachgetankt werden, auch wenn er dort erst gewonnen oder aufbereitet werden müsste. Der Wasserstoff könnte zudem als Abschirmung gegen kosmische Strahlung dienen.

Energiequelle

Bei sonnennahen Missionen, also besonders im Bereich der Erde und des Mondes, könnte VASIMR durch Solarzellen gespeist werden. Reisen zum Mars oder noch weiter ins äußere Sonnensystem benötigten allerdings eine eigene Energiequelle, denn so weit draußen würde das Sonnenlicht nicht ausreichen. Dort wäre beim gegenwärtigen Stand der Energietechnik ein leichter, hochleistungsfähiger Kernreaktor unerlässlich. Solch ein Reaktor könnte die Transportzeiten innerhalb des Sonnensystems wesentlich verkürzen; oder die Nutzlast ließe sich bei längerer Reisezeit erhöhen.

Entwicklung

Bereits 1979 begann der ehemalige NASA-Astronaut Franklin Chang-Diaz als Student am VASIMR-Konzept zu feilen. 1993 intensivierte er zusammen mit Kollegen seine Arbeit am Advanced Space Propulsion Laboratory des NASA Johnson Space Center. Chang-Diaz schied 2005 aus der NASA aus und gründete die Ad Astra Rocket Company. In Zusammenarbeit mit der NASA soll dort VASIMR bis zur Praxisreife weiterentwickelt werden.

Dazu wurden verschiedene Teststände gebaut. Der VX-100-Teststand dient hauptsächlich dazu, Bauteile wie die Plasmaquelle und die Plasmaheizung zu erproben. Sein Magnetfeld wird mit konventionellen, wassergekühlten Magnetspulen erzeugt; die sind kostengünstig und leicht handhabbar, wenn auch nicht so stark wie supraleitende Spulen. Der neuere VX-200-Teststand arbeitet dagegen mit supraleitenden Spulen in einer Vakuumkammer und damit näher an den Praxisbedingungen.

Nach 2010 soll ein Test im Weltraum an derInternationalen Raumstation ISS folgen. Dazu muss die Energieversorgung ermöglicht werden und die elektromagnetischen Beeinflussungen des Antriebs durch die Station berücksichtigt werden. Als weiterer Praxistest soll VASIMR einen kleinen Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern.

Bis VASIMR optimal und zuverlässig unter den extremen Weltraumbedingungen funktioniert, müssen noch mehre Baugruppen zur Praxisreife entwickelt werden:

• supraleitende Spulen (sie sollen auch zur Abschirmung der kosmischen Strahlung genutzt werden),
• die kompakte Energieversorgung mit möglichst kleiner Masse,
• die kompakte und robuste Einspeisung der elektromagnetischen Wellen,
• die leichtgewichtige Hitzeabschirmung und Kühlung der Plasmakammer,
• die optimierte Magnetdüse für kräftigen Schub.

Wie schnell die Entwicklung voranschreitet ist wie so häufig eine Frage der Finanzierung.

VASIMR wird neben allen erwarteten Vorzügen als Zwischenschritt auf dem Weg zum Fusionsantrieb gesehen. Beim Fusionsantrieb wird die Energie nicht elektrisch von außen zugeführt, sondern aus dem Wasserstoff durch Kernverschmelzung gewonnen.

Links

NASA Advanced Space Propulsion Laboratory
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/support/researching/aspl/index.html

Ad Astra Rocket Company
http://www.adastrarocket.com