Wie Raketen funktionieren: Antriebssysteme und Starttechnologie erklärt

Bei jedem Orbitalstart, vom Falcon 9, der eine Besatzung hebt, bis zu den Starship-Testflügen, wird die gleiche grundlegende Physik angewandt, die zuerst von Isaac Newton beschrieben wurde: auf jede Aktion folgt eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Ein Raketentriebwerk verbrennt Treibstoff und stößt das resultierende heiße Gas durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit aus; das Gas drückt die Rakete in die entgegengesetzte Richtung. Nach Angaben des Glenn Research Center der NASA existiert dieses Aktions-Reaktions-Paar zwischen der Rakete und ihrem eigenen Abgas, weshalb Raketen im Weltall funktionieren und nicht auf Luft oder ein anderes Medium zum Abstoßen angewiesen sind.

Die Physik: Schub und spezifischer Impuls

Ingenieure beschreiben die Leistung eines Triebwerks mit zwei Zahlen: Schub und spezifischer Impuls. Der Schub ist die erzeugte Kraft, angetrieben vor allem durch die Menge der Masse, die aus der Düse ausströmt, und wie schnell sie austritt. Der spezifische Impuls (Isp), gemessen in Sekunden, beschreibt, wie effizient ein Triebwerk Treibstoff in Schub umwandelt – das Glenn Research Center der NASA definiert ihn als Schub geteilt durch die Massenflussrate des Treibstoffs, sodass ein Triebwerk mit höherem Isp mehr Schub aus der gleichen Treibstoffmenge erzeugt oder weniger Treibstoff für den gleichen Schub benötigt.

Diese einzelne Zahl ermöglicht es Ingenieuren, ein Triebwerk zu dimensionieren und sehr unterschiedliche Antriebssysteme auf gleicher Basis zu vergleichen, weshalb der Isp ständig auf Raketenspezifikationsblättern auftaucht.

Chemischer Antrieb: flüssig, fest und hybrid

Fast alle Fahrzeuge, die die Erdoberfläche verlassen, nutzen chemischen Antrieb, bei dem ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel reagieren, um heißes, expandierendes Gas zu erzeugen. Es gibt drei Hauptkonfigurationen. Flüssig-Treibstoff-Triebwerke lagern Brennstoff und Oxidationsmittel separat und pumpen sie in eine Brennkammer, was das Triebwerk drosselbar, ausschaltbar und neu startbar macht – eine Flexibilität, die von government und kommerziellen Staranbietern genutzt wird. Feststoff-Triebwerke vermischen Brennstoff und Oxidationsmittel in einem einzigen festen Körper, der in das Raketengehäuse gepackt wird; sie sind strukturell einfach und kostengünstig, aber sobald gezündet, brennen sie, bis der Treibstoff aufgebraucht ist. Hybridsysteme kombinieren einen festen Brennstoff mit einem flüssigen oder gasförmigen Oxidationsmittel und positionieren sich zwischen den beiden Ansätzen.

Das Raptor-Triebwerk von SpaceX, das auf dem Starship und Super Heavy Fahrzeug verwendet wird, veranschaulicht einen neueren Ansatz innerhalb des flüssigen Antriebs: ein Design mit 'vollständiger Drosselverbrennung', bei dem der gesamte Brennstoff und das gesamte Oxidationsmittel zwei separate Vorbrenner passieren, bevor sie die Hauptbrennkammer erreichen, laut der Luft- und Raumfahrt-Outlet Everyday Astronaut. Raptor verbrennt flüssiges Methan mit flüssigem Sauerstoff – eine Kombination, die SpaceX teilweise deshalb wählte, weil Methan ohne die Rußablagerungen verbrennt, die die Wiederverwendung von kerosinbetriebenen Triebwerken erschweren, und teilweise, weil Methan theoretisch auf dem Mars aus lokalen Ressourcen hergestellt werden kann. Das Outlet berichtet, dass Raptor etwa 2 Meganewton Schub mit einem Vakuum-Spezifischer Impuls von etwa 330 bis 350 Sekunden erzeugt.

Warum Startvehikel in Stufen gebaut sind

Um die Erdumlaufbahn von der Erdoberfläche aus zu erreichen, ist es notwendig, eine Höhe von etwa 150 Kilometern zu erreichen, während man mit mehr als 7,9 Kilometern pro Sekunde reist, laut dem Starterhandbuch der Europäischen Weltraumagentur. Ein einzelnes Triebwerk-Design bewältigt dies selten effizient über den gesamten Flug, daher werden die meisten Orbitalraketen in Stufen aufgeteilt, die abgestoßen werden, sobald ihr Treibstoff aufgebraucht ist, wodurch totes Gewicht abgeworfen wird, damit die verbleibenden Stufen das leichtere Fahrzeug leichter beschleunigen können.

Die Beschreibung der Europäischen Weltraumagentur eines typischen Ariane-Flugs zeigt, wie dies in der Praxis abläuft: Booster und die Hauptstufe zünden während der ersten etwa zwei Minuten des vertikalen Aufstiegs zusammen, die Hauptstufe brennt etwa zwölf Minuten lang weiter, während die Booster bereits abgetrennt sind und ins Meer nahe 60 Kilometern Höhe gefallen sind, und eine obere Stufe zündet dann für einen letzten Zeitraum, um die maximale Geschwindigkeit der Mission von etwa 8 Kilometern pro Sekunde zu erreichen, bevor die Nutzlast freigegeben wird. Nachdem eine verbrauchte obere Stufe ihre Aufgabe erfüllt hat, wird sie normalerweise in eine 'Friedhofsumlaufbahn' verschoben, damit sie nicht zu einer Kollisionsgefahr für aktive Satelliten wird.

Über den Start hinaus: elektrischer und Ionen-Antrieb

Sobald sich ein Raumfahrzeug bereits im All oder im Weltall befindet, ist chemischer Antrieb nicht immer die beste Wahl für lange Reisen. Viele Sonden verwenden stattdessen elektrischen Antrieb, der einen Treibstoff ionisiert – normalerweise das Gas Xenon – und die resultierenden geladenen Partikel durch das Triebwerk mit elektrischen Feldern beschleunigt, die von Solarpanelen angetrieben werden. Die Jet Propulsion Laboratory der NASA beschreibt den Schub dieser Systeme als äußerst sanft: im Fall der Psyche-Asteroidengürtel-Mission ist der Druck, der durch ihre Ionentriebwerke erzeugt wird, vergleichbar mit dem Halten von drei Vierteln in der Hand, sogar bei voller Leistung.

Dieser winzige Schub reicht nicht aus, um etwas von der Erde zu heben, aber in der reibungslosen Umgebung des Weltalls kann er kontinuierlich für Monate angewendet werden und langsam die Geschwindigkeit aufbauen. Die JPL berichtet, dass die Solar-Elektrisch-Triebwerke von Psyche das Raumfahrzeug bereits auf etwa 84.000 Meilen pro Stunde getrieben haben und es schließlich auf etwa 124.000 Meilen pro Stunde bringen werden – was zeigt, warum Ionen-Antrieb für In-Space-Kreuzfahrten reserviert ist und nicht für den Start, wo chemische Triebwerke mit viel höherem Schub erforderlich sind, um die Schwerkraft und den Luftwiderstand in Minuten zu überwinden.