20.08.2004 / Autor: Martin Ollrom und Felix Korsch Raumfahrt > Raketen

Chemische Antriebe näher betrachtet

Der chemische Raketenantrieb ist der zurzeit am häufigsten verwendete Antrieb in Raumsonden oder Raketen. In den chemischen Antrieben werden mitgeführte Stoffe, die unterschiedlich sein können, zusammengeführt. Die bei der Reaktion freigesetzte Energie wird zum Antrieb einer Raumsonde oder Rakete verwendet.

Meist ist es die Oxidation oder Verbrennung, die zur Energiegewinnung verwendet wird. Bei der Oxidation wird der mitgenommene Stoff mit einem Oxidator, meist Sauerstoff oder einen Stoff der leicht Sauerstoff abgibt, zusammengeführt. Dieser Antrieb wird nicht nur bei Raumsonden verwendet, sondern auch von Raketen die ihre Nutzlast ins All befördern müssen.Wie schnell nun so eine Rakete mit chemischen Antrieb wird, hängt davon ab wie schnell der Oxidator und der Reaktionsstoff Energie freisetzen und natürlich wieviel Energie freigesetzt wird. So wird dann der resultierende Schub ausgerechnet. Die Angaben erfolgen in Meter pro Sekunde. Eine hohe Energiefreisetzung ist ein Resultat der höheren Verbrennungstemperaturen und so wird die Geschwindigkeit beeinflusst, beziehungsweise errechnet. Je leichter die Moleküle des Reaktionsstoffes sind umso mehr Nutzlast kann die Rakete transportieren. In der Praxis wird meist ein Stoff mit hoher Reaktionsenergie und leichter Moleküle gewählt. Die endgültige Effizienz und Geschwindigkeit einer Rakete mit einer Variation von Stoffen wird mit der sogenannten Raketengleichung von Herrn Ziolkowski errechnet. Meist liegt der Theoriewert etwas unter dem Praxiswert.



Für solche Raketen wird der chemische Antrieb vorwiegend genutzt
Allgemein wird unterschieden zwischen Feststoff-, Flüssig- und Hybridantrieben, je nach Zustand des gewählten Raketentreibstoffes.
  • Der Flüssigantrieb ist ein Zweistoffsystem. Er entsteht aus zwei Flüssigkomponenten, dem Brennstoff und Sauerstoff die alle woanders gelagert werden. Beim Zünden der Rakete wird mittels Turbopumpen der Sauerstoff und die Flüssigkomponente in die Brennkammer gesaugt, wo es mit Hilfe des Brennstoffes entzündet wird.
  • Der Feststoffantrieb ist eine etwas simplere Lösung. Hier wird im Vorhinein schon Sauerstoff und die Flüssigkomponente verhärtet und im Festen Zustand gezündet.
  • Die Hybrid-Antriebe finden in der Praxis kaum Verwendung. Hier wird ein fester Stoff (Brennstoff) und ein flüssiger Stoff (Oxidator) mitgeführt und entzündet. So kann man die Vorteile von Flüssig-, Feststoffantrieben kombinieren. Hier ist eine mehrfach Zündung möglich.
Hier sei noch erwähnt, dass es noch Antriebe gibt, die nur eine Art von Stoff an Bord haben. Diese jedoch sind sehr instabil und zerfallen leicht in zwei Stoffe. Sie wurden nur früher bei Sonden eingesetzt, wie zum Beispiel Voyager und Mariner. Des weiteren ist noch ein weiterer Antrieb erwähnenswert, der sich allerdings noch in Entwicklung befindet. Hier wird ein Oxidator mit zwei festen Komponenten verbrannt. Dies entspricht fast dem Hybrid-Antrieb, ist aber wesentlich billiger in der Umsetzung.

Die Zündung
Zunächst werden alle Stoffe getrennt gelagert, was den meisten Platz in einer Rakete oder Raumsonde ausmacht. Allerdings ist es mittlerweile zu einem festen Bestandteil der Rakete geworden. Alle Lagerungen sind natürlich gegen Verdampfung isoliert was unbedingt notwendig ist. Wenn das Signal der Zündung erfolgte, werden alle Stoffe gleichzeitig mit starken Pumpen aus dem Lagerräumen gezogen und die Brennkammer gespritzt. Die Pumpen können allerdings die Durchflussmenge regulieren. Das eigentliche Triebwerk besitzt einen Einspritzer. Der besteht aus einem Zersträuber, der die Menge von Oxidator und Brennstoff gerecht verteilen soll. Die Kühlung der Brennkammer übernimmt noch nicht verwendeter Brennstoff, der die Wärme durch Rillen an der Außenseite abführt. Beim Feststoffantrieb ist der Lagerraum gleichzeitig die Brennkammer also wesentlich leichter vom Aufbau her.



Auch für eine etwas kleinere Rakete ist dieser Antrieb zurzeit das Maß aller Dinge
Der Ausblick
Physikalisch gesehen sind die Flüssigantriebe an ihrer Leistungsgrenze angelangt. Bei der Ariane 5 der europäischen ESA wird dieser Antrieb bereits zu 99 Prozent ausgelastet, mehr ist wohl kaum realistisch. Dabei beträgt die maximale Geschwindigkeit 4500 Meter pro Sekunde. Kaum anzunehmen, dass irgendeine Stoffmischung den chemischen Antrieb revolutionieren wird. Bei den Feststoffantrieben ist das etwas anders. Früher noch als zu schwer kontrollierbar und regulierbar abgestempelt, bilden sie heute eine gute Alternative an. Allerdings sind sie nicht so schnell und effektiv wie Flüssigantriebe, dagegen billiger als die Flüssigantriebe. Der Weg mit der Kombinierung beider Systeme ist erst vor Kurzen beschritten worden und ist in Ost bis West beliebt. Von Russlands Proton, über Europas Ariane bis hin zu Amerikas Shuttle hat sich dieser Antrieb bewährt.

Fazit
Chemische Antriebe sind von der Theorie sehr alt und haben die Anfänge der bemannten und unbemannten Raumfahrt miterlebt. Jedoch ist man jetzt schon fast an den Grenzen des Machbaren angelangt und es ist nur mehr eine Frage der Zeit bis der chemische Antrieb von irgendeinen anderen Antrieb abgelöst wird. Vielleicht wird es ja der Ionenantrieb.
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