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Luftantrieb könnte Satelliten dauerhaft im Erdorbit halten
In sehr niedrigen Erdumlaufbahnen bremst selbst die dünne Restatmosphäre Satelliten zunehmend ab. Ein neuartiger Plasmaantrieb könnte diese Luft als Treibstoff nutzen, statt Vorräte an Bord mitzuführen. Simulationen versprechen hohe Einfangraten und Laborversuche belegen die Plasmaerzeugung mit atmosphärischen Gasen. Ein dauerhaft stabiler Betrieb im Orbit ist damit jedoch noch nicht bewiesen.
Stuttgart (Deutschland). Satelliten bewegen sich auch in wenigen Hundert Kilometern Höhe noch durch die äußersten Ausläufer der Erdatmosphäre. Die dortigen Gasteilchen üben einen geringen, aber anhaltenden Widerstand aus und lassen die Umlaufbahn ohne Gegenmaßnahmen langsam absinken. Gerade solche tiefen Bahnen sind für die Erdbeobachtung attraktiv, weil sich die Oberfläche aus geringerer Entfernung detailreicher erfassen lässt.
Wie entscheidend der Treibstoffvorrat dabei ist, zeigte der 2013 verglühte Erdbeobachtungssatellit GOCE. Sein elektrischer Antrieb glich den Luftwiderstand über Jahre aus, benötigte dafür aber mitgeführtes Xenon. Bei einem atmosphärenatmenden Antrieb soll stattdessen genau das Gas zum Treibstoff werden, das den Satelliten zuvor abgebremst hat.
Der Ingenieur Francesco Romano von der Universität Stuttgart hat dieses Konzept in seiner 2021 abgeschlossenen Dissertation untersucht. Die 2022 als Buch veröffentlichte Arbeit wurde im Juli 2026 zusätzlich auf einem frei zugänglichen Forschungsserver bereitgestellt. Im Mittelpunkt standen drei Einlasskonstruktionen, ein kontaktloses Plasmatriebwerk und Modellrechnungen zum Einsatz in besonders niedrigen Umlaufbahnen.
Zunächst muss das System ausreichend Gas aus einer Umgebung auffangen, in der die Teilchen weit auseinanderliegen. Romano hat dafür drei unterschiedliche Einlässe durchgerechnet, die Luftmoleküle entweder durch diffuse Streuung zurückhalten oder gezielt reflektieren sollen. Bei den beiden Varianten mit diffuser Rückstreuung lag die berechnete Einfangeffizienz bei rund 43 beziehungsweise 46 Prozent.
Am besten schnitt ein parabelförmiger Einlass ab, dessen Innenfläche die eintreffenden Teilchen möglichst spiegelnd zum Triebwerk lenkt. Das Simulationsmodell ergab eine Einfangrate von 94,3 Prozent und bei einer Abweichung um 15 Grad vom Gasstrom nur etwa acht Prozent relative Einbuße. Diese Werte beruhen allerdings auf nahezu idealen Reflexionseigenschaften und nicht auf einem experimentellen Nachweis unter realen Orbitalbedingungen.
Ob geeignete Beschichtungen unter dem Beschuss durch Sauerstoffatome tatsächlich so gut reflektieren und über Jahre widerstandsfähig bleiben, muss noch untersucht werden. Gerade atomarer Sauerstoff greift viele Materialien an und kann herkömmliche elektrische Antriebskomponenten im niedrigen Orbit beschädigen.
Für den eigentlichen Antrieb entwickelte Romano eine Plasmakammer mit einer sogenannten Birdcage-Antenne, wie sie in anderer Form aus der Magnetresonanztomographie bekannt ist. Hochfrequente elektromagnetische Felder verwandeln das eingeleitete Gas in ein Gemisch aus geladenen Teilchen, das anschließend als Plasmastrahl austreten soll. Weil weder Elektroden im Plasmastrom noch ein separater Neutralisator nötig sein sollen, könnte die Konstruktion weniger anfällig für aggressive Atmosphärenbestandteile sein.
In einer Vakuumkammer ließ sich der Prototyp mit Argon, Stickstoff und molekularem Sauerstoff zünden und stabil betreiben. Für die Plasmaerzeugung genügten im Versuch rund 60 Watt Hochfrequenzleistung, während die elektrische Einkopplung unter Vakuumbedingungen besonders geringe Verluste zeigte. Daraus lässt sich jedoch weder der Gesamtwirkungsgrad eines vollständigen Antriebssystems noch die nötige elektrische Leistung im Orbit unmittelbar ableiten.
Die erste Inbetriebnahme des Plasmaantriebs war bereits 2020 bekanntgemacht worden und ist somit kein völlig neues Experiment aus dem Jahr 2026. Neu in der aktuellen Berichterstattung ist vor allem, dass die bereits 2021 abgeschlossene Gesamtuntersuchung seit Juli 2026 f