Bevor wir abheben, ein paar Basics im Schnelldurchlauf. Der Sammelbegriff Ionenantrieb umfasst eine ganze Familie artverwandter elektrischer Antriebstechnologien. Deren technische Umsetzung kann je nach Einsatzzweck variieren, so wie es etwa auch bei Verbrennungsmotoren Unterschiede zwischen Dieselmotoren und Benzinern, zwischen Saug- und Turbomotoren gibt. Unabhängig davon, ob maximale Effizienz oder höhere Schubleistungen im Vordergrund stehen: Alle Ionenantriebe basieren auf demselben Funktionsprinzip. Einem Arbeitsmedium (aktuell meist ein Gas wie Xenon) werden durch Beschuss mit freien Elektronen die eigenen Elektronen rausgelöst. Die jetzt ionisierten Atome bilden ein positiv geladenes Plasma, das durch das Durchströmen elektrostatischer oder elektromagnetischer Felder (Plasmaantriebe) massiv beschleunigt wird. Diese Bewegungsenergie wird in Schubkraft umgewandelt. Nach dem Austritt aus dem Triebwerk werden dem Plasma in einem Neutralisator wieder Elektronen zugesetzt, um eine Aufladung des Raumflugkörpers zu verhindern.

Ionenantriebe gelten als Spritsparer unter den Raumfahrtantrieben und sind für Langzeitmissionen oder kompakte und leichte Fluggeräte besonders geeignet. Die kräftigeren Plasmatriebwerke sind die Arbeitstiere unter den Ionenantrieben. Innerhalb der Familie der Plasmatriebwerke sind die Hall-Effekt-Varianten besonders leistungsstark und robust – und entsprechend breitflächig im Einsatz. Bei dem nach seinem Entdecker Edwin Hall benannten Effekt werden Elektronen durch ein (meist elektrisch erzeugtes) Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, während die schwereren Ionen des Mediums davon kaum beeinflusst werden. Dadurch entsteht quer zur Stromrichtung ein elektrisches Feld (der Hall-Effekt), das die positiv geladenen Ionen mit besonderem Nachdruck Richtung Austritt beschleunigt.

Wenig Schub, enorme Ausdauer

Spricht man bei Ionenantrieben von „leistungsstark“, muss dies aus irdischer Sicht sehr relativ verstanden werden. Obwohl der Ionenstrahl Ausströmgeschwindigkeiten von 200.000 km/h erreichen kann (zehnmal schneller als bei konventionellen chemischen Raketen), bleibt die damit erzielte Schubkraft mit 0,01 bis 0,1 Newton überschaubar. Zum Vergleich: Jede der beiden Starterraketen einer Spaceshuttle-Mission schiebt mit 14,5 Millionen Newton gen Himmel. Mit den Millinewton eines Ionenantriebs ließe sich auf der Erde gerade mal ein Blatt Papier anheben. Im Vakuum des Weltalls reichen diese über einen längeren Zeitraum eingesetzten Minikräfte allerdings, um Satelliten, Sonden und andere Raumfahrzeuge zu bewegen, etwa für Flugbahnkorrekturen. Bei einem Bodentest der NASA lieferte ein Ionentriebwerk 5,5 Jahre lang ununterbrochen Schub.

Während Kolosse wie die Shuttle-Raketen in ein paar Sekunden 500.000 Kilo Treibstoff verbrennen, reichen bei Ionen- und Plasmaantrieben zwischen 10 und 150 Kilo stark komprimiertes Edelgas als Treibstoff, um teilweise jahrelang durchs All zu fliegen – und natürlich elektrische Energie, um die Gase zu ionisieren und zu beschleunigen.

Solar oder Kernkraft?

Gedeckt wird der Strombedarf der Ionenantriebe über Solarflügel oder Minireaktoren. „Solar-elektrische Antriebstechnik ebnet den Weg für die Erkundung der inneren Bereiche unseres Sonnensystems, weil man dort die unerschöpflichen Energien der Sonne anzapfen kann“, betont Giuseppe Racca, Projektleiter bei der Europäischen Weltraumagentur ESA. In den äußeren sonnenfernen Regionen unseres Systems oder bei größerem Fluggerät müssen hingegen andere Stromquellen genutzt werden, beispielsweise bordeigene Kernreaktoren.

Weiterentwicklungen der elektrostatischen Antriebe zielen weltweit darauf ab, den Schub wesentlich zu erhöhen, um weitere Anwendungen im Weltraum zu erschließen. Mehr Schub bedingt mehr elektrische Leistung – und die Internationalisierung und Kommerzialisierung des Weltalls bringen wiederum Schub in die Entwicklung. Ob Deutschland, Österreich, Frankreich, Indien, Japan oder USA, ob Universitäten, Start-ups oder etablierte Anbieter – rund um den Globus befinden sich Ionenantriebe verschiedenster Bauarten in der Entwicklung oder sind bereits auf Prüfständen im Einsatz. Neben den Schubverbesserungen stehen Effizienzsteigerungen sowie Bauraum- und Gewichtseinsparungen im Fokus. 

Natürlich ist auch die NASA als Big Player involviert. Die US-Weltraumbehörde hat beispielsweise jetzt den Prototypen eines magnetoplasmadynamischen (MPD) Strahlentriebwerks erfolgreich getestet, der statt mit Gasen wie Xenon, Krypton oder Argon mit ionisiertem Lithium arbeitet. Berichten zufolge ist der Prototyp rund 25-mal leistungsstärker als das Antriebssystem der Raumsonde „Psyche“, das mit vier Triebwerken à 0,24 Newton Schubkraft bislang als NASA-Referenz im Bereich elektrischer Antriebe gilt.

120 kW Stromleistung braucht der MPD-Prototyp für die Ionisierung und die Beschleunigung des Plasmas. Die nächsten Leistungssprünge sind bereits geplant: 500 kW und 1 MW mit entsprechenden Schubzuwächsen sollen in den nächsten Jahren erreicht werden. Als Mittelfristziel nennt die NASA 4 Megawatt. Solche Werte sind mit Solar kaum mehr zu bewältigen, deswegen soll diese Technologie mit einem Kernfusionsreaktor als Stromquelle kombiniert werden. Statt kleiner Satelliten und Sonden lassen sich mit solch leistungsfähigen elektrostatischen Antrieben auch größere Raumschiffe mit höheren Geschwindigkeiten durchs Vakuum im All bewegen, zum Beispiel für bemannte Marsmissionen, als Frachttransporter gen Mond, für die aktive Entfernung von Weltraumschrott oder Langzeitmissionen zu den äußeren Planeten.

Das britische Start-up Pulsar Fusion will 2027 einen Ionenantrieb mit Fusionsreaktor im Orbit testen. Mit 2 MW Stromleistung soll eine Plasma-Ausströmgeschwindigkeit von 360.000 km/h und eine Schubkraft zwischen 10 und 100 Newton erzielt werden. Nach Angaben des Unternehmens soll bereits eine wenige Stunden dauernde Beschleunigungsphase ausreichend Vortrieb für Interplanetarmissionen bis zum Mars erzeugen.

Bei allen angestrebten Zugewinnen ist aber dennoch klar: Auch in absehbarer Zukunft wird die Schubkraft elektrostatischer Antriebe bei Weitem nicht reichen, um mit Raumfahrzeugen die Erdanziehung überwinden zu können. Für den Weg ins All werden weiter konventionelle Raketen gebraucht. Rauf mit Wumms – und im All effizient mit Ionentriebwerken zum Ziel gleiten.

Und wie sieht es „down on earth“ aus?

Physikalisch gilt ein direkter Einsatz klassischer Ionenantriebe in der Erdatmosphäre aufgrund ihrer geringen Schubkraft als wenig praktikabel. Und dennoch: Im November 2018 sorgte ein Forscherteam des MIT mit einem Miniflieger (5 Meter Spannweite, 2,5 Kilo Gewicht) für Schlagzeilen, der von einem „Ionenwind“ vorwärts getragen wird. Auch tomorrow hat berichtet. Im Gegensatz zu den im All verwendeten Ionenantrieben, bei denen die beschleunigten Teilchen strahlenförmig herausgeschossen werden, setzt der Ionenwind auf Fläche. Bei dem Flieger werden die Teilchen unterhalb der Tragfläche mehrschichtig zwischen mehreren Elektrodenpaaren mit 40.000 Volt Spannungsdifferenz beschleunigt.

500 Watt elektrische Leistung sorgen so immerhin für 3 Newton Schub. Genug, um 60 Meter weit in einer windstillen Halle zu fliegen. „Das war das einfachste Flugzeug, das wir entwerfen konnten, um das Konzept zu beweisen, dass ein Ionenflugzeug fliegen kann“, ordnete der am Projekt beteiligte Aeronautic-Professor Steven Barrett das Ergebnis ein. Und weiter: „Doch es ist noch ein weiter Weg bis zu einem Flugzeug, das einen sinnvollen Einsatz erfüllen könnte.“ Wie weit der Weg ist: Fragezeichen.

Drohnen, die mit Ionen-Winden fliegen, könnten zumindest ein weiterer Zwischenschritt auf dem Entwicklungspfad sein. Forschende an den chinesischen Universitäten Nanjing und Zhejiang haben 2025 einen Ionenwindantrieb für fliegende Mikroroboter vorgestellt (weitere Infos). „Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Mehrantriebs-Ionenwindsystemen für die Weiterentwicklung der Flugdynamik von Mikrorobotern, was erhebliche Auswirkungen auf die Konstruktion von Luftfahrzeugen im Mikromaßstab der nächsten Generation hat“, hieß es in einem begleitenden Artikel.

Forschende in Australien brachten den Ionenwind ins Wasser. Dabei nutzen sie die Wasseroberfläche als stromabwärts gelegene Elektrode, wodurch die Notwendigkeit einer zweiten Elektrode entfällt. Im Experiment gelang es, ein sogenanntes iBoat mit einer Nutzlast von 120 Gramm vorwärtszubewegen.

„Dieses neuartige Konzept könnte den Weg für die zukünftige Entwicklung propellerloser Boote mit vernachlässigbarer Geräuschentwicklung in praktischen Anwendungen ebnen, darunter Überwachungsmissionen des Militärs und im Naturschutz“, so die Forscher.

Züge auf Schallgeschwindigkeit pushen

Geht’s auch eine Nummer größer? Ja, deutlich größer sogar und damit potenziell auch alltagstauglicher – zumindest, wenn die Vision des Ringway Transportation System von Naveen Chaudhary eines Tages Realität ist. Der Ingenieur für Schienen- und Nahverkehr hat ein Highspeed-Fahrzeug mit Ionenantrieb entworfen, 2012 erstmals patentieren lassen und die Idee seitdem ständig weiterentwickelt. Der Hyperloop-Konkurrent gleitet nicht durch ein aufwendiges Vakuumröhrensystem, sondern unter freiem Himmel und annähernd reibungslos durch Magnetringe, die in aneinandergereihten Stelzen integriert sind und auch für einen Basis-Vortrieb sorgen. Ein zusätzlicher Ionen-Kick, in diesem Fall ein sogenannter magnetplasmaionischer (MPI) Antrieb, soll das Fahrzeug schließlich Richtung Schallgeschwindigkeit beschleunigen. Eine Besonderheit des Antriebs: Um Leistung und Effizienz zu steigern, will Chaudhary dem MPI-Antrieb bereits positiv geladene Luft zuführen, die durch sogenannte „Energie-Nägel“ und Carbonfäden an den Stelzen ionisiert wird. Steht nicht ausreichend ionisierte Luft zur Verfügung, hilft Xenon-Gas aus.

Erfinder Chaudhary weiß wie so viele Forscher, die in dem Bereich entwickeln, dass die zu meisternden Hürden bis zu einem realen Einsatz gewaltig sind. „Es handelt sich um eine technologisch sehr radikale Innovation“, sagt er und ergänzt mit Blick aufs All: „Ich halte das Projekt jedoch für machbar, da uns bereits ähnliche Technologien zur Verfügung stehen.“   

Zu den technisch besonders kritischen Herausforderungen gehört laut Chaudhary das Wärmemanagement: Wie alle Ionenantriebe muss auch das MPI-Derivat innerhalb eines stark begrenzten Raums in extrem kontrastierenden Temperaturbereichen betrieben werden. „Der Plasmakern erzeugt extreme Hitze zwischen 10.000 und 50.000 Grad Celsius. Gleichzeitig müssen die in der Nähe befindlichen supraleitenden Magnetspulen mithilfe von flüssigem Stickstoff auf eisigen minus 196,15 Grad gehalten werden“, sagt Chaudhardy. „Die Bewältigung dieser immensen Temperaturgradienten und die Begrenzung der maximalen thermischen Spannungen auf unter 50 Prozent der Streckgrenze des Materials erfordern hoch entwickelte feuerfeste Werkstoffe und eine präzise thermische Auslegung.“

Um den Schub für Überschallgeschwindigkeiten zu generieren, muss der MPI-Antrieb Stromleistungen im Multi-Megawatt-Bereich umsetzen, ohne dabei an Effizienz oder Zuverlässigkeit einzubüßen. Chaudhary weiß: „Die Bereitstellung und Verteilung dieser Leistungsgrößenordnung erfordert hochmoderne supraleitende Energieübertragungssysteme und massive Energiespeicherlösungen wie Superkondensatoren, um Spitzenlasten im Betrieb abzufangen.“

Chaudhary räumt ein, dass die Ausschöpfung des vollen Potenzials des MPI-Antriebs in hohem Maße von zukünftigen Durchbrüchen in der Materialwissenschaft abhängt, insbesondere von der Entwicklung von Raumtemperatur-Supraleitern: „Die Entdeckung solcher Materialien würde die Notwendigkeit einer kryogenen Infrastruktur beseitigen, die Kosten drastisch senken und die Gesamtleistung des Motors erheblich verbessern.“

Nächste Hürde: Laut Chaudhary werden Quantencomputer für die Ausrichtung der Fahrzeuge in Ringen sowie für die Steuerung und Überwachung des komplexen Systems im Submillisekundenbereich benötigt. Diese sehr leistungsstarken Rechner sind ebenfalls noch Zukunftsmusik.

Ob für Marsraumschiffe, lautlose Drohnen oder Überschallzüge jenseits heutiger Geschwindigkeitsgrenzen: Noch sind viele Konzepte Zukunftsmusik. Doch jede neue Entwicklung zeigt, dass Ionen- und Plasmaantriebe ihr Potenzial längst nicht ausgeschöpft haben.