Physik Satelliten können millimetergenau eingestellt werden

Auch abseits medizinischer Anwendungen sind kalte Plasmen nützlich. So lassen sich damit Raumschiffe antreiben, eigentlich eine alte Idee vom Anfang des vergangenen Jahrhunderts. Doch erst von den 1960er-Jahren an wurden Ionentriebwerke ernsthaft entwickelt, seit sie mit Radiowellen betrieben werden. Typischerweise werden dabei Wellen mit Radiofrequenzen in eine Kammer gestrahlt, die mit dem Edelgas Xenon gefüllt ist. Die Ionen, die dabei entstehen, werden nach dem Austritt elektrisch neutralisiert und schließlich mit extrem hohen Geschwindigkeiten von bis zu 50 Kilometer pro Sekunde ausgeschleudert. Zum Vergleich: Bei konventionellen chemischen Antrieben erreichen die Austrittsgase höchstens einige Kilometer pro Sekunde, und das nur für Minuten. Dagegen können Ionentriebwerke, Energie vorausgesetzt, sogar jahrelang beschleunigen und damit für hohe Endgeschwindigkeiten sorgen.

Die Vorteile solcher Plasmaantriebe: weniger Treibstoff, extrem lange Lebensdauer, exakte Steuerbarkeit. Die Nachteile: kleine Schubkräfte, Betrieb nur im Vakuum, Energieversorgung nur mit Solarzellen oder Nuklearbatterien. Entsprechend dienen Ionenantriebe hauptsächlich für die Feinsteuerung: zur Lageregulierung oder Bahnanhebungen von Satelliten. Doch auch zum Mond kann man damit fliegen. Schon 2003 schickten die Ingenieure der Europäischen Raumagentur ESA den Satelliten Smart-1 mit einem Ionenantrieb zum Erdtrabanten - nach der amerikanischen Deep Space 1 und der japanischen Hayabusa bereits die dritte Raumsonde mit diesem Antrieb. Wegen der geringen Schubkraft dauerte der Trip etwas länger als sonst: 18 Monate vergingen bis zum gewünschten Mondorbit. Auch die Nasa-Sonde Dawn, seit 2007 zum Asteroidengürtel unterwegs, ist mit Ionentriebwerken ausgerüstet.

Derzeit arbeiten etliche Institute, darunter das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), die Universität Gießen, die ESA sowie die Raumfahrtindustrie, bereits am nächsten Schritt: neue Triebwerke für Satelliten zur Erdbeobachtung ebenso wie für Sonden zum Mars. Bis Ende dieses Jahres sollen voll flugtaugliche Prototypen eines neuen Mikro-Ionenantriebs vorliegen, zwar mit reduziertem Schub, dafür besonders präzise zu steuern.

Bewähren sie sich auf den Testständen, ist geplant, sie in ehrgeizigen Weltraumprojekten zum Einsatz zu bringen, etwa für das ESA-Projekt Elisa (evolved Laser Interferometer Space Antenna). Damit sollen einmal drei Satelliten in einer Dreiecksformation entlang der Erdbahn positioniert werden und im Verbund Gravitationswellen aus Zeiten des Urknalls und von Schwarzen Löchern einfangen. Diese Wellen, die einst Einstein vorhersagte, sollen über winzige Änderungen im Abstand der Trabanten zueinander detektiert werden. Das verlangt ein wirkliches Kunststück: gegenseitige Laserortung und äußerst präzise Lageregulierung der Satelliten mit den neuen Ionendüsen auf Millimeter genau - bei jeweiligen Abständen von einer Million Kilometer. Allerdings wird das Projekt noch ein wenig dauern. Nach heutiger Planung soll Elisa, falls die Finanzierung zustande kommt, frühestens 2034 starten.

Neben Raumfahrtantrieben und medizinischen Anwendungen konnten Kalte Plasmen Physiker auch mit einem neuen Phänomen verblüffen: den sogenannten Plasmakristallen. Was auf der Erde wegen der Schwerkraft nur rudimentär möglich wäre, klappt in der Schwerelosigkeit des Weltraums. Ungehindert durch Gravitationskräfte stoßen sich dort die elektrisch aufgeladenen Mikropartikel im kalten Plasma gegenseitig ab und ordnen sich nach Art eines Kristalls zu hexagonalen Strukturen. Dass die Abstände zwischen den Teilchen Bruchteile von Millimetern erreichen, macht sie im Vergleich zu echten, atomaren Kristallen zu ungewöhnlichen, makroskopischen Objekten. Unter Bedingungen der Mikrogravitation zeigen die Pseudokristalle feste, flüssige und sogar chaotische Phasen. Da die Mikropartikel aber so groß sind, verlaufen alle Prozesse deutlich langsamer als in der atomaren Welt.

Das macht komplexe Plasmen geeignet als Modellsysteme. "Diese Phasenübergänge", sagt Plasmaphysiker Markus Thoma von der Universität Gießen, "können wir so dynamisch in Echtzeit verfolgen, was bei normalen Kristallen unmöglich wäre." Der Plasmaphysiker begleitet diese Forschungen schon seit 2001, zusammen mit dem DLR zunächst am MPE, inzwischen an der Universität Gießen. Tests mit ballistischen Raketen sowie auf der Internationalen Raumstation ISS folgten in den letzten Jahren.

Ob die Forscher mit Plasmakristallen etwas anfangen können, ist heute noch unklar, Grundlagenforschung eben. Aber diesen Oktober geht es wieder von Baikonur auf die ISS, diesmal mit einem Nachfolgeexperiment - falls die Politik nicht dazwischenkommt. "Kalte Plasmen haben ein hohes Potenzial für nützliche Anwendungen", sagt Markus Thoma. "Es wird noch mit einigen Überraschungen zu rechnen sein."