YBCO-Supraleiter ermöglichen hocheffiziente Triebwerke

YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) ist ein revolutionäres Hochtemperatur-Supraleitermaterial, das den elektrischen Widerstand eliminiert, wenn es unter seine Sprungtemperatur von 92 K (-181 °C) abgekühlt wird. Im Kontext des Weltraumantriebs wird YBCO verwendet, um herkömmliche elektromagnetische Kupferspulen in magnetoplasmadynamischen Triebwerken (MPDTs) zu ersetzen. Dies schafft eine „elektromagnetische Weltraumkanone“, die Plasma auf extreme Geschwindigkeiten beschleunigt. Durch die Nutzung der Hochtemperatur-Supraleitung können Forscher die für den Antrieb erforderlichen intensiven Magnetfelder nahezu ohne Energieverlust erzeugen, was eine drastische Reduzierung sowohl des Gewichts als auch des Stromverbrauchs des Triebwerks ermöglicht.

Die Entwicklung effizienter Antriebssysteme ist seit langem der primäre Engpass für die Verbreitung von Kleinsatelliten und die Erforschung des tiefen Weltraums. Herkömmliche chemische Raketen sind bemerkenswert ineffizient und benötigen oft mehr als 90 % ihrer ursprünglichen Startmasse allein für den Treibstoff. Während der elektrische Antrieb – oft als das „Elektroauto des Weltraums“ bezeichnet – eine sauberere und effizientere Alternative darstellt, indem er elektrische Energie zur Beschleunigung geladener Teilchen nutzt, waren konventionelle magnetoplasmadynamische Triebwerke in der Vergangenheit zu sperrig und stromhungrig für kompakte Raumfahrzeuge. Eine wegweisende Studie, die am 22. Februar 2026 in der Fachzeitschrift National Science Review veröffentlicht wurde, offenbart jedoch einen Paradigmenwechsel in dieser Technologie.

Warum wiegt das HTS-Triebwerk nur 60 kg im Vergleich zu 220 kg bei herkömmlichen Modellen?

Das Hochtemperatur-Supraleiter-Triebwerk (HTS) erzielt eine massive Gewichtsreduzierung von 73 %, da YBCO-Supraleiterbänder deutlich höhere Stromdichten als herkömmliches Kupfer leiten können, was viel kleinere Magnetspulen ermöglicht. Durch den Verzicht auf die massiven Kupferwicklungen und schweren Kühlstrukturen, die zur Bewältigung der ohmschen Wärme erforderlich sind, gelang es Forschern der Chinese Academy of Sciences, die Gesamtsystemmasse von 220 kg auf nur 60 kg zu reduzieren. Dieses Leichtbaudesign ermöglicht die Integration von Hochleistungsantrieben in Miniatursatelliten-Plattformen, die zuvor auf Optionen mit geringem Schub beschränkt waren.

Die Hochtemperatur-Supraleitung ermöglicht es Ingenieuren, die physikalischen Grenzen des Ohmschen Gesetzes zu umgehen, die herkömmliche elektromagnetische Systeme plagen. In einem Standard-MPDT erzeugen Kupferspulen aufgrund des elektrischen Widerstands enorme Mengen an Abwärme, was eine schwere Abschirmung und massive Wärmeableitungseinheiten erfordert, um ein Schmelzen des Systems zu verhindern. Durch den Wechsel zu YBCO eliminierte das Forschungsteam um Professor Jinxing Zheng vom Institute of Plasma Physics (Hefei Institute of Physical Science) diese resistive Erwärmung, sodass die gesamte Magnetbaugruppe miniaturisiert werden konnte, ohne die Feldstärke zu beeinträchtigen.

Die Massenreduzierung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Raumfahrt. Jedes Kilogramm Zusatzgewicht an einem Raumfahrzeug erhöht die Startkosten und verringert die verfügbare Nutzlast für wissenschaftliche Instrumente. Ein 60 kg schweres Triebwerk, das die Leistung einer 220 kg schweren Einheit erbringt, ermöglicht es Missionsplanern, entweder die Startkosten zu senken oder hochentwickeltere Sensoren, Kameras und Kommunikationssysteme mitzuführen, was den „wissenschaftlichen Return on Investment“ für jede in den Orbit geschickte Mission effektiv erhöht.

Welche Vorteile bietet die Flüssigstickstoffkühlung bei -196 °C für Supraleiter in Triebwerken?

Die Kühlung von HTS-Triebwerken auf -196 °C mit flüssigem Stickstoff ist vorteilhaft, da sie den Einsatz von YBCO-Supraleitern oberhalb des Siedepunkts von Stickstoff ermöglicht, was weitaus kostengünstiger und einfacher zu handhaben ist als flüssiges Helium. Dieser Temperaturbereich erlaubt es dem Triebwerk, einen supraleitenden Zustand mit minimalem Energieaufwand aufrechtzuerhalten, wodurch die zur Erzeugung von Magnetfeldern erforderliche Erregerleistung von 285 kW auf weniger als 1 kW gesenkt wird. Diese Reduzierung des Stromverbrauchs um 99 % macht Hochleistungsantriebe für solarbetriebene Satelliten praktikabel.

Der Betrieb bei Flüssigstickstofftemperaturen bietet einen entscheidenden thermischen Puffer für Raumfahrzeuge, die in der rauen Umgebung des Weltraums operieren. Herkömmliche Tieftemperatur-Supraleiter erfordern eine Kühlung auf nahe dem absoluten Nullpunkt (4 K), was komplexe und schwere Kryostaten erfordert, die mit teurem flüssigem Helium gefüllt sind. Durch die Nutzung der Hochtemperatur-Supraleitung demonstrierte das Team, dass einfache Flüssigstickstoffsysteme – die leichter zu isolieren und nachzufüllen sind – die notwendige Umgebung für das Funktionieren von YBCO aufrechterhalten können. Diese thermische Effizienz ermöglicht es, dass die Erregerleistung vom Äquivalent des Stromverbrauchs einer kleinen Gemeinde auf das eines gewöhnlichen Haushaltsgeräts sinkt.

Die Forscher konnten erfolgreich nachweisen, dass diese Strategie des Wärmemanagements die Leistung des Triebwerks nicht beeinträchtigt. Tatsächlich kann das Triebwerk durch die Aufrechterhaltung eines stabilen supraleitenden Zustands bei -196 °C ein starkes und konstantes Magnetfeld aufrechterhalten. Diese Stabilität ist essenziell für die gleichmäßige Beschleunigung des Plasmas und stellt sicher, dass die „elektromagnetische Weltraumkanone“ während der lang andauernden Brennphasen zuverlässig funktioniert, die für interplanetare Reisen, wie Missionen zum Mars oder zum äußeren Sonnensystem, erforderlich sind.

Antriebsleistung und spezifischer Impuls

Die Effizienz eines Antriebssystems wird an seinem spezifischen Impuls gemessen, einer Kennzahl, die beschreibt, wie viel Schub pro verbrauchter Treibstoffeinheit erzeugt wird. Das neue HTS-Triebwerk erreichte einen außergewöhnlichen spezifischen Impuls von 3.265 Sekunden bei einer Eingangsleistung von 12 Kilowatt. Zum Vergleich: Dies ist mehr als zehnmal höher als der spezifische Impuls herkömmlicher chemischer Raketen, der in der Regel bei etwa 300 Sekunden liegt. Das bedeutet, dass das HTS-Triebwerk die gleichen Geschwindigkeitsänderungen wie eine chemische Rakete erreichen kann, während es nur einen Bruchteil des Treibstoffs verbraucht.

• Spezifischer Impuls: 3.265 Sekunden (vs. 300 s bei chemischen Raketen)
• Eingangsleistung: 12 kW (Hohe Effizienz für den Transit im tiefen Weltraum)
• Leistungsreduzierung: Von 285 kW auf <1 kW für die Magneterregung
• Gewichtsreduzierung: Von 220 kg auf 60 kg

Dieser Effizienzsprung adressiert direkt das Problem des Treibstoffmassenanteils. Da das HTS-Triebwerk so effizient ist, können Raumfahrzeuge deutlich weniger Treibstoff mitführen, um ihr Ziel zu erreichen. Diese Philosophie der „leichteren Last“ ermöglicht schnellere Transitzeiten und die Fähigkeit, komplexe Orbitalmanöver durchzuführen, die zuvor aufgrund von Treibstoffbeschränkungen unmöglich waren. Für SmallSats bietet diese Technologie ein „Herz“, das in der Lage ist, sie aus der Erdumlaufbahn heraus zu Zielen im tiefen Weltraum mit beispielloser Präzision voranzutreiben.

Vorhersagegenauigkeit: Das magnetohydrodynamische Modell

Neben der physischen Hardware etablierte das Team um Professor Zheng ein umfassendes analytisches magnetohydrodynamisches (MHD-) Modell, um den Betrieb des Triebwerks zu steuern. Dieser theoretische Rahmen beschreibt präzise die komplexen Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldstärke, Massendurchsatz und Schubleistung. Mit der Erstellung dieses Modells haben die Forscher einen Fahrplan für zukünftige Iterationen der Technologie vorgelegt, der es anderen Wissenschaftlern ermöglicht, vorherzusagen, wie sich Änderungen der Skalierung oder der Eingangsleistung auf die Leistung des Triebwerks auswirken werden.

Das MHD-Modell wurde durch strenge experimentelle Tests validiert, die eine hohe Korrelation zwischen vorhergesagten und beobachteten Daten zeigten. Diese Validierung ist ein entscheidender Schritt für die „E-E-A-T“-Kriterien (Erfahrung, Expertise, Autorität und Vertrauenswürdigkeit) der Forschung, da sie beweist, dass das Team die zugrunde liegende Physik der Hochtemperatur-Supraleitung in einer Plasmaumgebung versteht. Ein verifiziertes mathematisches Modell rationalisiert den Designprozess für zukünftige Raumfahrzeuge, reduziert die Notwendigkeit teurer Trial-and-Error-Tests und beschleunigt den Einsatz von HTS-Triebwerken in aktiven Missionen.

Diese Modellierung untersucht auch, wie das Triebwerk mit verschiedenen Arten von Treibstoffen umgeht. Durch das Verständnis der Fluiddynamik des Plasmas auf mikroskopischer Ebene kann das Team die Injektion von Gas optimieren, um eine maximale Beschleunigung zu gewährleisten. Die Kombination aus High-Fidelity-Modellierung und erfolgreicher Hardware-Demonstration macht dies zu einem der bedeutendsten Fortschritte im Bereich des elektrischen Antriebs im letzten Jahrzehnt und könnte die Ära schwerer, stromhungriger magnetoplasmadynamischer Systeme auf Kupferbasis beenden.

Skalierung für die Zukunft: Von SmallSats bis zum tiefen Weltraum

Die Integration von HTS-Triebwerken in die Luft- und Raumfahrtindustrie markiert den Beginn einer neuen Epoche hochenergieeffizienter Antriebe. Da der kommerzielle Raumfahrtsektor weiter wächst, wird die Nachfrage nach kostengünstigen Hochleistungstriebwerken für SmallSats weiter steigen. Dieser chinesische Durchbruch löst den entscheidenden Engpass beim Antrieb und bietet einen Weg zur nachhaltigen und erschwinglichen Erforschung der Mondoberfläche, von Asteroiden und darüber hinaus. Die Möglichkeit, ein 60 kg schweres Triebwerk zu starten, das die Leistung eines Schwergewicht-Antriebs erbringt, wird die Missionsarchitektur für die 2030er Jahre wahrscheinlich neu definieren.

Mit Blick auf die Zukunft will das Forschungsteam die Kühlsysteme weiter verfeinern, um die Betriebsdauer des Triebwerks für mehrjährige Missionen zu verlängern. Zukünftige Iterationen könnten noch höher temperierte Supraleiter oder stärker integrierte Kryokühllösungen untersuchen, die die natürliche Kälte des tiefen Weltraums nutzen können. Während die Hochtemperatur-Supraleitung weiter ausreift, schickt sie sich an, zum Standard für alle elektrischen Hochleistungsantriebe zu werden und eine Ära einzuläuten, in der die Sterne nicht mehr aufgrund des Gewichts unserer Triebwerke oder der Grenzen unseres Treibstoffs unerreichbar sind.