Gasturbinen als Energiekonverter im Weltraum

Im Weltraum können elektrischer Strom und Wärme (für Heizung und als Prozeßwärme) nur in geschlossenen Umwandlungssystemen erzeugt werden, wenn man vom Standpunkt des Wirkungsgrades und des Bauaufwandes von der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität absieht. Der Untersuchung werden geschlossene Gasturbinen zugrunde gelegt, mit denen hohe Wirkungsgrade, große Betriebssicherheit und lange Laufzeiten erzielt werden. Einer der wichtigsten Parameter in diesen Kreisläufen stellt - wie bei allen thermischen Energiekonvertern - die Temperatur der Wärmesenke dar. Sie beeinflußt sowohl den Umwandlungswirkungsgrad des Konverters als auch seinen technologischen Aufbau, der im wesentlichen durch die sehr verschiedenen Wärmesenken von Erdatmosphäre und Weltall bedingt ist als auch von der Aufgabe, die das Raumobjekt - die Raumstation oder die Raumfähre - zu erfüllen hat. Solarkraftwerke, die ihre aus Sonnenenergie erzeugte Elektrizität entweder mit Mikrowellen zur Erde senden und dort in Empfangsstationen zur Weiterleitung durch die vorhandenen Stromnetze in die entsprechende Stromart übertragen oder direkt an Ort und Stelle in Raumstationen zur industriellen Produktion einsetzen, werden in Modulbauweise im Weltraum montiert. Die großflächigen Elemente stellen die Radiatoren dar, die als Wärmesenke des Umwandlungssystems die Tiefsttemperaturen des Weltraumes ausnutzen und ihre Abwärme nur durch Strahlung gegen den Kältehintergrund des Alls abgeben. Raumflugkörper - wie Wetter-, Beobachtungs- und Nachrichtensatelliten - oder Raumfahrzeuge - wie Forschungslaboratorien, Lastenträger, Raumgleiter etc., die wieder nach Erfüllung ihrer Mission auf die Erde zurückkehren - sind in ihren äußeren Abmessungen eingeschränkt. Die kompakte Bauweise schließt großflächige Radiatoren aus. Zwar erfordert die Eigenversorgung der Raumflugkörper ohnehin nur kleine Leistungen; die sich allein daraus ergebenden kleineren Abmessungen der Radiatoren sind aber noch nicht ausreichend. So entsteht das Phänomen, daß die Eintrittstemperatur des Arbeitsfluids in die Verdichter von Gasturbinen, die als Solarkraftwerke im Weltraum konzipiert werden, merklich unterhalb und für Raumfahrzeuge oftmals oberhalb oder in der Nähe der Temperaturen liegen, wie sie bei Verdichtern in terrestrischer Umgebung üblich sind. Den Sachverhalt veranschaulichen im folgenden zwei Beispiele, nämlich: Ein Solarkraftwerk für eine industrielle Raumstation mit einer Nutzleistung von 50 MWe und ein Raumfahrzeug, das auf seiner Umlaufbahn an Bord einen Energiebedarfvon 200 kWe hat.