Raketentreibstoff
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Raketentreibstoff ist Treibstoff für den Antrieb einer Rakete, genauer eines Raketenmotors. Bei chemischen Raketen sind meistens ein Treibstoff und ein Oxidator erforderlich. Diese können vor dem Start in gemischter oder ungemischter Form vorliegen (ersteres ist bei der Feststoffrakete der Fall). Je nach Art und Einsatzgebiet der Raketen werden folgende Antriebe verwendet:
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[Bearbeiten] Festtreibstoff
Als Festreibstoff von Feuerwerks- und Modellraketen wird meistens Schwarzpulver verwendet. Für militärische Anwendungen wurde Schwarzpulver schon zur Zeit des zweiten Weltkriegs durch rauchschwache Cellulosenitratpulver weitgehend ersetzt. Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt üblich sind, werden meistens spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat, Aluminiumpulver, Kunstharz und eventuell geringen Mengen Eisenoxid als Katalysator verwendet. Alle Feststofftreibstoffe sind langsam abbrennende Explosivstoffe.
[Bearbeiten] Hybridtreibstoff
Als Hybridtreibstoff bezeichnet man eine Mischung aus einem festen Treibstoff, meistens aus Kunststoff, zum Beispiel HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Poly-Butadien), Lithiumhydrid etc. und einem flüssigen Oxidator, meistens Salpetersäure, flüssigem Sauerstoff, Distickstoffmonoxid, oder FLOX (Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Fluor). Zum Beispiel flog das SpaceShipOne mit HTPB und Distickstoffmonoxid.
[Bearbeiten] Flüssigtreibstoff
Als flüssige Brennstoffe können verwendet werden: Alkohol, Benzin, Kerosin, Hydrazin, UDMH (unsymmetrisches Dimethylhydrazin), MMH (Monomethylhydrazin), Aerozin 50 (50% UDMH und 50% Hydrazin), UH 25 (75% UDMH und 25% Hydrazin), flüssiges Methan (praktisch nicht verwendet) und flüssiger Wasserstoff. Früher wurde auch Ammoniak verwendet bevor man auf Hydrazin und seine Derivate bzw. Mischungen aus beiden umstellte. Methan und Wasserstoff liefern den größten spezifischen Impuls, sind aber wegen der niedrigen Lagertemperaturen schwer zu handhaben. Als Oxidatoren werden flüssiger Sauerstoff (LOX), Wasserstoffperoxid, rauchende Salpetersäure(RFNA; red fumic nitric acid), Distickstofftetroxid oder Distickstoffmonoxid verwendet. Prinzipiell denkbar, aber aus Umweltschutzgründen praktisch nicht realisierbar, ist auch der Einsatz von flüssigem Fluor. Der ebenfalls denkbare Einsatz von flüssigem Ozon scheitert an dessen Instabilität. Fast alle Oxidatoren ausser Distickstoffmonoxid sind entweder chemisch aggressiv oder müssen tief gekühlt werden.
Hydrazin kann auch als Einkomponententreibstoff, zum Beispiel für Lageregelungssysteme von Raumflugkörpern verwendet werden. Hierbei wird Hydrazin mit Hilfe eines Katalysators zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt.
Die Zündung erfolgt entweder elektrisch, mit einer Feststoffkartusche, mit einem hypergolen Zündmedium oder auch bei manchen Treibstoffkombinationen von selbst (Hypergol)
Besonders verbreitet sind bei Großraketen folgende Kombinationen:
- Als Treibstoff: UDMH oder/und Hydrazin mit dem Oxidator: Distickstofftetroxid (In der Raumfahrt meistens als Stickstofftetroxid bezeichnet.)
- Als Treibstoff: UDMH oder/und Hydrazin mit dem Oxidator: Salpetersäure. Diese und die oben genannte Treibstoffkombination sind ohne Kühlung lagerbar und Hypergol
- Als Treibstoff: Kerosin mit dem Oxidator: LOX
- Als Treibstoff: flüssiger Wasserstoff mit dem Oxidator: LOX
[Bearbeiten] Oberth-Effekt
Raumfahrtpionier Hermann Oberth, nach dem der französische Raketenpionier Esnault Pelterie den Effekt später benannte, fand heraus, dass bei der Reaktion der Raketentreibstoffe Wasserstoff und Sauerstoff sich die Austrittsgeschwindigkeit durch Erhöhung des Wasserstoffanteils steigern lässt. Das liegt daran, dass in Folge des Wasserstoffüberschusses die Dissoziation praktisch ausgeschaltet wird und reiner Wasserstoff leichter ist und daher schneller ausströmen kann,als dissoziierter oder gar undissoziierter Wasserdampf, und das auch noch bei tieferen Temperaturen.
Heute verwendet man bei Wasserstoff-Sauerstofftriebwerken Wasserstoff und Sauerstoff im Gewichtsverhältnis 1:4 bis 1:6 (statt dem stöchiometrischen Verhältnis 1:8).
[Bearbeiten] Nuklearantrieb
Als Stützmasse wird flüssiger Wasserstoff verwendet, der mit Hilfe eines Reaktors auf ca. 3000 Grad Celsius aufgeheizt wird. (Projekt NERVA)
Andere Versionen sehen den Einsatz kleiner Atombomben vor (Projekt Orion)
[Bearbeiten] Ionenantrieb
Bei einem Ionenantrieb dienen als Treibstoff Cäsium, Xenon oder Quecksilber. Der Treibstoff wird dabei ionisiert und mit Hilfe eines elektrischen und eines magnetischen Feldes beschleunigt. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass die notwendige elektrische Energie z.B. mittels Solarzellen im Weltraum gewonnen werden kann und man mit sehr wenig Treibstoff auskommt, denn es wird nur sehr wenig Masse, dafür aber mit sehr hoher Geschwindigkeit, ausgestoßen. Die dabei erreichten Schubkräfte sind sehr klein. Außerdem funktioniert das Triebwerk nur im Hochvakuum wie es zum Beispiel im freien Weltraum der Fall ist.
Die Bezeichnung Treibstoff ist beim Ionenantrieb irreführend, da er nur als Medium zur Impulsübertragung, nicht aber als eigentliche Energiequelle fungiert.
[Bearbeiten] Fusionsantrieb
Es gibt mehrere Ansätze, einen Fusionsantrieb zu realisieren. Einer davon benutzt einen Laserimpuls um eine geringe Menge He3 auf die für eine Fusion nötige Temperatur zu bringen. Die hochenergetischen Reaktionsprodukte verlassen durch eine Düse den Antrieb. Zündet man viele solcher Reaktionen in Folge, entsteht ein Rückstoß.
[Bearbeiten] Photonenantrieb
Antrieb durch Licht. Heute in der Form von Sonnensegeln prinzipiell realisierbar. Interessanter wäre aber die Zerstrahlung von Materie mit Antimaterie. Hierbei ergäben sich große Schwierigkeiten in der Produktion und der Lagerung der erzeugten Antimaterie und der Bündelung der bei der Zerstrahlung erzeugten Photonen, da diese im Gammabereich liegen.
