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Raketentreibstoff

Als Raketentreibstoff werden die Antriebsstoffe einer Rakete, genauer eines Raketenmotors, bezeichnet. Durch ihn entsteht der Schub einer Rakete. Die wichtigste Eigenschaft eines Raketentreibstoffes aus antriebstechnischer Sicht ist sein spezifischer Impuls bzw. sein volumenspezifischer Impuls, welche ein Maß für die Effektivität von Triebwerk und Treibstoff darstellen. Je höher er ist, desto besser ist der Treibstoff und das Triebwerk. Der volumenspezifische Impuls zieht dabei noch die Dichte des Treibstoffes (und damit indirekt die erforderliche Tankgrösse) mit ein. Weitere wichtige Eigenschaften sind neben dem Preis auch ihre Dichte, Lagerfähigkeit (Zersetzung), Gefährlichkeit (Selbstentzündung, Zündverhalten und Umweltverträglichkeit) und Aggressivität (Korrosion von Tank, Leitungen, Pumpen und Turbinen).

Inhaltsverzeichnis

Chemische Treibstoffe

Bei den chemischen Treibstoffsystemen erzeugt eine chemische Reaktion den Schub der Rakete. Man unterscheidet allgemein entweder nach der Art des Treibstoffes in Fest-, Flüssig- oder Hybridtreibstoffe oder nach Anzahl der am Verbrennungsprozess beteiligten Reaktionsstoffe in monergol, diergol oder triergol, wobei alle Feststoffraketen als monergol angesehen werden. Bei der chemischen Reaktion werden Energie und Reaktionsprodukte frei, durch die ein hoher Druck in der Brennkammer entsteht, wodurch die Reaktionsprodukte mit (möglichst) hoher Geschwindigkeit aus der Triebwerksdüse ausgestossen werden.

Bei chemischen Raketen sind meistens ein Treibstoff (auch Brennstoff genannt) 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 Treibstoffe verwendet:

Festtreibstoff

Festtreibstoffe können homogene oder auch heterogene Feststoffe (Composits) sein, die neben dem Brennstoff und dem Oxidator noch andere Zusätze (Stabilisatoren) enthalten. Alle Feststofftreibstoffe sind langsam abbrennende Explosivstoffe.

Die homogenen Treibstoffe sind homogene Mischungen auf Kolloidbasis von Zellulosenitrat oder Glyzerintrinitrat, die eventuell noch Zusätze von Oxidatoren, Brennstoffen und Stabilisatoren (mindern die spontane Zerfallsneigung der Nitrate, z.B. Diethylphenylurethan, Diphenylamin). Wird nur Zellulosenitrat verwendet, spricht man auch von Einbasistreibstoff, ansonsten von Doppelbasistreibstoffen, welche energiereicher sind, aber deshalb auch Stabilisatoren benötigen.

Als Festtreibstoff von Feuerwerks- und Modellraketen wird meistens Schwarzpulver verwendet. Für militärische Anwendungen wurde Schwarzpulver schon zur Zeit des zweiten Weltkriegs durch das rauchschwache Zellulosenitratpulver weitgehend ersetzt. Die homogenen Festtreibstoffe gehören meist zu der Kategorie der niederenergetischen Treibstoffe, da sie eine Austrittsgeschwindigkeit von weniger als 2200 m/s aufweisen.

Heterogene Treibstoffe (Composits) werden durch mechanische Mischung von Brennstoff(en) und Oxidator(en) hergestellt.

Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt üblich sind, werden meistens spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat oder Natrium-/Ammoniumnitrat, Aluminiumpulver, Kunstharz (Polybutadiene, Polyurethane, ... als Bindesubstanz) und eventuell geringen Mengen Eisenoxid als Katalysator verwendet. Diese ergeben nach dem Gießen einen festen, aber plastischen Körper (Treibsatz), was Riß- und Lunkerbildung stark vermindert und so die Transport und Handhabung sehr sicher macht. Zunehmend wird anstelle oder zusätzlich zu Aluminium auch Lithium, Beryllium, Bor oder Magnesium verwendet. Bei hochentwickelten Composits können Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 3300 m/s erreicht werden.

Hybridtreibstoff

Als Hybridtreibstoff (Lithergol) bezeichnet man eine Mischantrieb 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. Es wurden aber auch Experimente mit inversen Hybriden durchgeführt, bei denen ein flüssiger Brennstoff durch einen festen Oxidator verbrannt wird. Raketen mit entsprechendem Antrieb werden als Hybridraketen bezeichnet.

Flüssigtreibstoff

In Flüssigkeitsraketen kommen flüssige Brennstoffe und Oxidatoren zum Einsatz.

Monergole

Monergole (Einkomponententreibstoffe, Einstoffsysteme) können entweder homogene Fest- (z. B. Nitroglyzerin) (siehe Festtreibstoffe) oder Flüssigstoffe (z. B. H2O2) sein. Die Flüssigtreibstoffe dieser Kategorie gehören zu den niederenergetischen Treibstoffen.

Katergole

Katergole Treibstoffe sind Monergole (Monotreibstoffe, Einstoffsysteme), die durch hinzubringen eines Katalysators, daher der Name, zum Zerfall gebracht werden. Bei einigen dieser Substanzen wird noch ein zusätzliches Zündmittel für die Einleitung des Zerfallsprozesses benötigt.

Diergole

Bei Diergolsystemen (Zweistoffsystemen) sind bis auf Hybridantriebe bei Flüssigkeitstriebwerken beide Bestandteile flüssig (z. B. Wasserstoff/Sauerstoff). Im Falle des Hybridantriebs ist meist der Brennstoff in fester Form vorliegend und der Oxidator als Gas oder auch Flüssigkeit. Zu den Diergolsystemen zählen als stärkste Vertreter Wasserstoff-Sauerstoff-Gemische, bei denen Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 3800 m/s erreicht werden können.

Es werden häufig als Brennstoff verwendet: 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 praktisch nur Sauerstoff und Fluor bzw. Verbindungen, die große Konzentrationen einer der beiden Stoffe enthalten, verwendet. Fast alle Oxidatoren außer Distickstoffmonoxid sind entweder chemisch aggressiv oder müssen tief gekühlt werden. Eingesetzt werden vor allem flüssiger Sauerstoff (LOX), Wasserstoffperoxid, rauchende Salpetersäure(RFNA; red fumic nitric acid), Distickstofftetroxid oder Distickstoffmonoxid. Der ebenfalls denkbare Einsatz von flüssigem Ozon scheitert an dessen Instabilität. Prinzipiell denkbar, aber aus Umweltschutzgründen praktisch nicht realisierbar, ist auch flüssiges Fluor.

Die Zündung erfolgt entweder elektrisch, mit einer Feststoffkartusche, mit einem hypergolen Zündmedium oder auch bei manchen Treibstoffkombinationen von selbst (Hypergol), was einen Vorteil für diese Treibstoffkombination darstellt, da mehr oder weniger aufwendige Zündsysteme entfallen können.

Theoretische Leistungsdaten einiger Treibstoffkombinationen
Oxidator Brennstoff Mischungsverhältnis mittlere Dichte
g/cm3
Verbrennungstemperatur
°C
Spez. Impuls
Ns/kg
O2 C2H5OH 1,43 1,01 2960 2740
O2 N2H4 0,90 1,07 3130 3070
O2 H2 4,02 0,28 2700 3830
ClF3 C10H20 3,20 1,41 3250 2530
H2O2(95%) UDMH 4,54 1,24 2650 2720
H2O2(95%) N2H4 2,17 1,26 2580 2760
N2O4 Aerozin 2,00 2,00 3100 2820
HNO3 C10H20 4,80 1,35 2960 2630
F2 N2H4 2,30 1,31 4440 3560
F2 H2 7,60 0,45 3600 4020
F2 B5H9 4,50 4750 3530

(Brennkammerdruck von 7 MPa, Entspannungsverhältnis 1:70, adiabatische Verbrennung, isentropische Entspannung, chemisches Gleichgewicht).

Triergole

Triergolsysteme (Dreistoffsysteme) enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), denen noch zusätzlich Wasserstoff oder Metallpulver (Lithium, Aluminium, Beryllium) zur Erhöhung des spezifischen Impulses zugeführt wird. Diese Treibstoffsysteme wurden zwar bisher gut untersucht, jedoch wegen des komplexen Aufbaus von Triebwerk und Rakete (3 Tanks!) nie praktisch eingesetzt.

Theoretische Leistungsdaten einiger Triergole
Oxidator Brennstoff Zusatzbrennstoff Spez. Impuls Ns/kg
O2 H2 26% Beryllium 4500
O2 H2 29% Lithium 4000
O2 Hydrazin 15% Beryllium 3350
F2 Hydrazin 25% Lithium 3700
F2 H2 15% Beryllium 4100

(Brennkammerdruck von 7 MPa, Entspannungsverhältnis 1:70, adiabatische Verbrennung, isentropische Entspannung, chemisches Gleichgewicht)

aktuell verwendete chemische Treibstoffe

Besonders verbreitet sind bei Großraketen folgende Kombinationen:

Oberth-Effekt

Raumfahrtpionier Hermann Oberth, nach dem der französische Raketenpionier Robert Esnault-Pelterie den Effekt später benannte, fand durch empirisches Experimentieren 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. Sogleich sich „einer Reduzierung des Sauerstoffgewichts“ eine Steigerung an Nutzlast ergab.

Heute verwendet man bei Wasserstoff-Sauerstofftriebwerken Wasserstoff und Sauerstoff im Gewichtsverhältnis 1:4 bis 1:6 (statt dem stöchiometrischen Verhältnis 1:8).

Treibstoffe in Ionenantrieben

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 vorliegt.

Bei Thermischen Lichtbogentriebwerken wird mit Hydrazin, Ammoniak oder Wasserstoff experimentiert.

Die Bezeichnung Treibstoff (vor allem aber der Begriff Brennstoff) ist beim Ionenantrieb irreführend, da er nur als Medium zur Impulsübertragung, nicht aber als eigentliche Energiequelle fungiert.

Treibstoffe in nuklearen Antrieben

Als Stützmasse in einem Nuklearantrieb 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).

Fusionsantrieb

Es gibt mehrere Ansätze, einen Fusionsantrieb zu realisieren. Einer davon benutzt einen Laserpulse, um eine geringe Menge 3He 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 quasi kontinuierlicher Rückstoß.

Photonenantrieb

Als Photonenantrieb bezeichnet man einen Antrieb durch die Rückstoßwirkung von Licht (eben der Photonen). Heute ist er in Form von Sonnensegeln prinzipiell realisierbar. Interessanter wäre aber die Zerstrahlung von Materie mit Antimaterie, weil dabei die gesamte Masse der beiden Stoffe als Energie frei würde. Hierbei ergäben sich jedoch große Schwierigkeiten in der Produktion und der Lagerung der erzeugten Antimaterie und der Bündelung der bei der Zerstrahlung erzeugten Photonen, da diese im Gammastrahlenbereich liegen.

Haltbarkeit und Lagerung

Die verschiedenen Treibstoffklassifikationen haben weiterhin noch besondere Eigenschaften hinsichtlich ihrer Haltbarkeit und Lagerung. Festtreibstoffe lassen sich am einfachsten lagern, jedoch wird ihre Lagerung auch von bestimmten Bedingungen eingeschränkt. Es dürfen sich weder Risse bilden noch Schrumpfungen auftreten. Flüssigtreibstoffe dürfen hingegen weder gefrieren noch verdampfen, was ein Temperaturintervall von -20°C - +80°C bedeutet.

Durch Tiefkühlung verflüssigte, in der Raumfahrt als kryogen bezeichnete Treibstoffe, lassen sich aufgrund ihres Aggregatzustandes nur für einen kurzen Zeitraum lagern, da auch bei aufwendigen Tankisolierungen ein Verdampfen nicht vermieden werden kann.

Effizienz

Die Effizienz von Treibstoff-Systemen kann dadurch angegeben werden, wie lange mit einer Treibstoffmasse M ein Schub von eben dessen Gewichtskraft erzeugt werden kann.

Siehe auch