Angetrieben von Ionen

Im „Marsianer“ wird die Hermes auf ihrem Flug zum Mars von einem Ionenantrieb beschleunigt. Diese Form des Antriebs wird schon heute von der NASA bei unbemannten Missionen eingesetzt, beispielsweise bei der Raumsonde Dawn, die im Asteroidengürtel unterwegs ist. Sowohl die Flugbahnen als auch der Antrieb sind daher durchaus realistisch und nur eine Fortführung schon existierender Technologie.

Ankunft von Dawn beim Zwergplaneten Ceres (künstlerische Darstellung) © NASA/JPL-Caltech

Wie eine sanfte Brise

Für den Schub sorgt ein dünner Strom von positiv geladenen Ionen eines Gases wie Xenon oder Argon. Die Teilchen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und mit bis zu 50.000 Kilometer pro Stunde ausgestoßen. Ein zweiter Strahl mit negativ geladenen Elektronen sorgt dafür, dass der Ionenstrahl nach dem Ausstoß wieder neutralisiert wird – sonst würde die Raumschiffhülle ihn anziehen, statt dass er gerade nach hinten wegströmt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Raketenbrennstoffen wie Hydrazin erzeugt ein Ionenantrieb nur eine sehr geringe Schubkraft, vergleichbar einer sanften Brise. Für einen Start von der Planetenoberfläche wäre das viel zu wenig. Die Raumsonde Dawn benötigte beispielsweise vier Tage, um von Null auf knapp hundert Stundenkilometer zu beschleunigen – nicht gerade ein Bolide. Der Ionenantrieb funktioniert zudem nur im Vakuum, so dass ein Raumschiff entweder konventionelle Zusatztriebwerke benötigt oder aber erst vom Orbit aus starten kann.

NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) - ein neuer Ionenantrieb der NASA bei einem Test © NASA

Rasend schnell nach längerer Zeit

Dafür ist der Schub eines Ionentriebwerks jedoch konstant und hält über den gesamten Flug hin an, wodurch das Raumschiff stetig schneller wird und jederzeit seinen Kurs korrigieren kann. Gerade bei längeren Flügen kann ein solches Raumschiff daher enorme Geschwindigkeiten erreichen – möglich sind bis zu 300.000 Kilometer pro Stunde. Die Raumsonde Dawn hatte nach mehr als fünf Jahren konstanter Beschleunigung immerhin schon ein Tempo von mehr als 40.000 Kilometern pro Stunde. Zum Vergleich: Die Höchstgeschwindigkeit der Space Shuttles lag bei maximal 29.000 km/h.

Allerdings gibt es einen Haken: Der Ionenantrieb frisst viel Energie. Sie wird benötigt, um das starke elektrische Feld aufrechtzuerhalten. Je stärker das Feld, desto stärker können die Ionen beschleunigt werden – und desto schneller wird das Schiff. In Sonnennähe kann die dafür nötige Energie durch Solarsegel gewonnen werden. Bei einem Marsflug wie mit der Hermes reicht dies jedoch nicht aus. Sie hat daher einen kleinen Atomreaktor an Bord, wie schon jetzt einige unbemannte Raumsonden, die im äußeren Sonnensystem unterwegs sind.

Das Raumschiff "Hermes" im Film überwindet die Strecke zum Mars mit Hilfe eines Ionenantriebs © Twentieth Century Fox

Flugbahnen selbst ausgerechnet

Die konstante Beschleunigung wirkt sich auch auf Bahn und Physik des Weltraumfluges für ein ionengetriebenes Schiff aus. Bei einer herkömmlichen Marsmission bekommt die Raumsonde ihren Hauptschub von der Trägerrakete. Einmal angeschoben, fliegt sie im Prinzip mit diesem Schwung bis zum Mars, denn im Vakuum des Alls wird sie ja nicht abgebremst. Erst für den Eintritt in den Orbit muss der Antrieb wieder ran.

Bei einem Ionenantrieb sieht dies jedoch anders aus. Hier ist der Schub kontinuierlich – und das wirkt sich auf die Bahndynamik aus. Um diese Details korrekt wiederzugeben, rechnete Andy Weir die orbitalen Flugbahnen für die Hermes selbst aus. „Ich musste dafür erst meine eigene Software schreiben, die Bahnen mit konstanter Beschleunigung abbilden kann“, berichtet der Autor und Informatiker. Ebenfalls realistisch: Die Tatsache, dass Erde und Mars nur etwa alle zwei Jahre in einer Position zueinander stehen, bei der eine günstige, möglichst energiesparende Flugbahn möglich ist.

Nadja Podbregar
Stand: 08.10.2015