Sonnensegel

Cosmos-1 im entfalteten Zustand

künstlerische Darstellung eines Sonnensegels

Ein 20 Meter Sonnensegel wird von der NASA getestet

Ein NASA-Ingenieur hält ein Kohlenstoffgewebe-Material in den Händen, aus dem einst Sonnensegel bestehen könnten

Sonnensegel

Das Sonnensegel ist ein bisher noch unerprobter Antrieb von Raumfahrzeugen, bei welchem der Strahlungsdruck des Sonnenlichtes genutzt wird.

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

Details

Beim Sonnensegel soll, ähnlich wie bei den den Wind nutzenden Segelschiffen, der Strahlungsdruck der Sonne als Antriebsquelle genutzt werden. Der Strahlungsdruck wird bereits erfolgreich zur Lageregelung von Satelliten eingesetzt. 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. Da der Strahlungsdruck der Sonne sehr gering ist und quadratisch mit der Entfernung von der Sonne abnimmt, müssen solche Segel extrem groß und leicht sein. Im Abstand der Erde von der Sonne beträgt der Druck nur ein paar Mikronewton pro Quadratmeter, wodurch nur geringe Antriebskräfte zur Verfügung stehen. Allerdings gibt es im Weltraum keinen Luftwiderstand, so dass die geringe Schubkraft auf Dauer erhebliche Geschwindigkeitsänderungen (bzw. Orbitenergieänderungen) bewirken kann.

Zwei Sonnensegel waren bereits 1993 an der russischen Raumstation Mir in Betrieb. Allerdings wurden hier nur die Entfaltungsmechanismen getestet. Um als Sonnensegel zu fliegen und Orbitenergie zu gewinnen, war die Höhe der Mir zu gering und deshalb der Luftwiderstand zu groß, sowie das Segel zu schwer. Ein weiterer Test 1999 verlief erfolglos.

Das Deutsch/Europäische Projekt „Solar Sail“ konnte 1999 mit einer Bodendemonstration die Entfaltung eines 20 × 20 Meter großen Sonnensegels erfolgreich demonstrieren. Die deutsche von DLR und ESA durchgeführte Entwicklung auf diesem Gebiet sieht zur Zeit aus zwei Kohlefaser-Halbschalen zusammengeklebte Booms (Rohre) vor, die aufgerollt transportiert werden sollen. Zum Entfalten der Segel werden die Booms per Elektromotor ausgerollt, hierbei erhalten sie ihre ursprüngliche Steifigkeit wieder. Dazwischen sind Mylar- oder Kaptonsegel befestigt. Mylar ist das derzeit leichteste Gewebe bei höchster Festigkeit, das hergestellt werden kann. Es wiegt je nach Beschichtung 10 bis 11 g/m². Für 2006 ist eine On-Orbit-Demonstration mit einem 28m Spannweite Solar-Sail geplant.

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. Weitere Versuche mit diesem Satellitenmodell könnten stattfinden, um das Konzept der gezielten Erhöhung der Orbitalenergie mit Hilfe von Solarsegeln zu testen. Cosmos 1 verwendet 5 µm dicke aluminiumbeschichtete Mylar-Segel.

Im August 2004 hat die japanische Raumfahrtagentur ISAS die Entfaltung zweier Sonnensegel in einem suborbitalen Flug erfolgreich getestet.

Theoretisch besteht auch die Möglichkeit, den Sonnenwind mittels „magnetischer Segel“ einzufangen. Damit meint man ein um das Raumschiff erzeugtes starkes Magnetfeld, das in einer Plasmablase eingeschlossen ist. Der Vorteil eines solchen Segels wäre die große Nutzfläche (man denkt hier an einen Durchmesser von bis zu 15 km) fast ohne Materialeinsatz. Der Nachteil ist, dass ständig Plasma nachgeliefert werden muss, weil es langsam aus dem Magnetfeld entweicht. Diese Methode wird als Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2) bezeichnet.

Umgangssprachlich werden irreführenderweise gelegentlich die Solarmodule zur Erzeugung elektrischer Energie ebenfalls als Sonnensegel bezeichnet.