Raketentreibstoffe

Das Prinzip

Ein chemischer Raketenantrieb funktioniert so:
Zwei verschiedene Stoffe werden "umgesetzt" (verbrannt). Dabei wird ein energiereicher Stoff mit einem zweiten verbrannt. Es ist aber nicht jede chemische Reaktion, die Gas mit hoher Geschwindigkeit freisetzt anwendbar, um eine Rakete anzutreiben.

Dieses Prinzip wird auch bei Verbrennungen im täglichen Leben genutzt. Im normalen Leben sind dies Kohlenstoffverbindungen (Öl, Kohle, Kohlenhydrate, Eiweiß, Fett). Das Reaktionsprinzip liegt aber auch dem Rosten von Eisen zugrunde.

In der Raketentechnik wird der energiereiche, erste Stoff als Treibstoff und der zweite als Oxidator bezeichnet. Der Oxidator besteht meist aus Sauerstoff oder aus einem sehr leicht Sauerstoff abgebendem Stoff. Es gibt noch andere Möglichkeiten, die für den Antrieb von Raketen aber nicht geeignet sind.

Beim Verbrennen von Treibstoff und Oxidator entsteht eine große Hitze und Reaktionsprodukte (Abfälle).Diese Abfälle werden durch eine Düse ins Freie geleitet und beschleunigen die Rakete.



Der Druck, der beim Verbrennen entsteht geht in alle Richtungen. Aber nach unten kann ein Teil des Drucks entweichen. Das bedeutet, dass nach oben mehr Druck aufgebracht wird und die Rakete fliegt nach oben. (Rückstoßprinzip)

Sehr wichtig für Raketentreibstoff ist wie schnell die Gase die Rakete verlassen (Spezifischer Impuls). Mit derselben Geschwindigkeit wird nach dem Rückstoßprinzip die Rakete nach oben beschleunigt. Der spezifische Impuls sollte daher möglichst groß sein. Für jeden Raketentreibstoff gibt es einen spezifischen Impuls, der nicht überschritten werden darf.

Raketentreibstoffe sind aus den leichtesten Elementen bestehend, weil der spezifische Impuls bei leichteren Elementen größer als bei kleinen ist. Nur bei festen Treibstoffen findet man noch zwei etwas schwerere Elemente.

einige Treibstoffarten

Wasserstoff

Wasserstoff ist das mit abstand leichteste Element, zudem liefert es mit den meisten Oxidatoren hohe Energieausbeuten. Daher ist Wasserstoff der beste heute verwendete Treibstoff. Sein Nachteil ist das es nur bis zu Temperaturen von -253°C flüssig ist. Diese niedrigen Temperaturen sind weitaus komplizierter zu handhaben als die von flüssigem Sauerstoff (-183°C), die technisch recht gut beherrscht wird Die Lagerfähigkeit ist daher auf wenige Stunden beschränkt, weitere Probleme ergeben sich bei der Verwendung als Treibstoff bei den niedrigen Temperaturen, daher stellt Wasserstoff noch heute hohe Anforderungen an die Technik.

Mit Sauerstoff werden je nach Mischungsverhältnis spezifische Impuls von 4300-4450 m/s erreicht. Das theoretische Maximum liegt bei 4800 m/s.

Alkali und Erdalkalielemente

Da beides Feststoffe sind können sie nur in Hybriden Antrieben (Flüssiger Oxidator und fester Treibstoff) zum Einsatz kommen, diese sind aber noch kaum erforscht.

Die allerhöchsten spezifischen Impulse - sie liegen noch über denen von Wasserstoff (4500 m/s am Boden gegenüber 3850 bei Wasserstoff) würde man erhalten wenn man Beryllium in einer Menge von 26 Massenprozent zusätzlich zu Wasserstoff einsetzen würde.

Borwasserstoffe

Borane sind Verbindungen aus Bor und Wasserstoff. Borane liefern ähnlich hohe spezifische Impulse beider Verbrennung wie reiner Wasserstoff, sind jedoch wesentlich dichter und bei höherer Temperatur zu verflüssigen (die höheren Borane sind bei Normaltemperaturen flüssig). Die Verbrennungsenergie übertrifft die von Wasserstoff stark, jedoch sind auch die entstehenden Abgasmoleküle schwerer, so das ungefähr der gleiche spezifische Impuls resultiert. Die hohen Herstellungskosten haben jedoch bisher noch nicht zum Einsatz dieser Treibstoffe geführt. Untersucht wurden vor allem die höheren Borane, da diese bei Zimmertemperatur als Flüssigkeiten vorliegen, während das wasserstoffreichste einfachste Boran erst ab -92° C flüssig ist. Als Treibstoff eignen sich die stabilen Borane und B10H14 (Decaboran). Pentaboran ist bis 60°C flüssig und Decaboran bis 150°C stabil. Durch den höheren Wasserstoffgehalt ist das Pentaboran der bessere Treibstoff. Alle Borane sind sehr toxisch und eignen sich daher nur bedingt als Raketentreibstoff. die Reaktionsprodukte(Abfälle) sind jedoch ungefährliche Mineralien .

Kohlenstoffverbindungen

Die ersten flüssigen Treibstoffe waren Kohlenstoffverbindungen wie Anilin und Alkohol. Heute wird fast ausschließlich Kerosin (RP-1, Schwerbenzin, Flugzeugbenzin) eingesetzt. Der Großteil der freigesetzten Energie geht dabei auf den Wasserstoff zurück.

Kohlenwasserstoffe liefern mit Sauerstoff spezifische Impuls von 3000-3200 m/s im Vakuum, sind preiswert und werden bei einer Vielzahl von Raketen (Atlas, Sojus, Delta, Zenit) eingesetzt. Die meisten sind gut lagerbar, nur Methan und anderer verflüssigte Gase sind nur bei tiefen Temperaturen flüssig.

Stickstoffverbindungen

Auch hier spielen die Verbindungen von Stickstoff und Wasserstoff eine wichtige Rolle. Die einfachste Verbindung zwischen Stickstoff und Wasserstoff das Ammoniak, NH3 ein Gas wurde in den 30 er und 40 er Jahren als Raketentreibstoff verwendet. Heute wird dafür das wesentlich teurere Hydrazin (N2H4) verwendet. Es liefert etwas weniger Energie als Ammoniak, ist jedoch lagerfähig und daher leichter zu handhaben.