Der technische Fortschritt mag manchmal so wirken, als kenne er keine Grenzen. Und trotzdem fällt auf, dass er in manchen Bereichen einfach nicht vom Fleck kommt. Raketentreibstoffe sind so ein Fall. Man bastelt noch etwas an Triebwerken herum, man versucht noch leichtere Tanks zu bauen. Wo bleiben die großen Sprünge?

Es muss der enttäuschendste Beginn für so einen Artikel überhaupt sein:

Es ist schon alles entdeckt.

Zumindest wenn es um möglichst hohe Leistung geht. Schon Tsiolkovski schrieb 1903, dass Wasserstoff und Sauerstoff eine der besten Kombinationen sei – kurz nachdem die Verflüssigung von Wasserstoff zum ersten Mal gelang. Wenn wir die Aussage etwas einschränken und sagen, dass es die beste praktikable Kombination ist, dann stimmt diese 112 Jahre alte Einschätzung noch heute.

Wobei praktikabel ein dehnbarer Begriff ist. SpaceX wollte das Raptor Triebwerk ursprünglich für die Kombination Wasserstoff/Sauerstoff entwickeln, nahm davon aber wieder Abstand, weil der Umgang mit Wasserstoff sehr aufwändig und unangenehm ist (Zitat: “A pain in the ass”). Stattdessen soll nun Methan der Brennstoff der Wahl sein. Schmerzbefreitere Raketenbauer setzen hingegen sehr wohl auf Wasserstoff als Treibstoff, aber die hohen Startpreise dieser Raketen scheinen Elon Musk mit seiner Wahl recht zu geben.

In den 50er und 60er Jahren war die Schmerzgrenze in der Technik bekanntlich noch deutlich höher. Und tatsächlich konnte man mit großem Aufwand den Spezifischen Impuls eines Wasserstoff/Sauerstofftriebwerks noch deutlich übertreffen. Der absolute Rekordhalter ist ein Triebwerk das mit Wasserstoff und Lithium als Brennstoff und Fluor als Oxidator betrieben wurde. Allein an dieser Tatsache, kann man einige Probleme sehen:

Das Triebwerk hat drei verschiedene Treibstoffe, braucht drei verschiedene Einspritzdüsen und alle drei Treibstoffe müssen gleichmäßig in der Brennkammer vermischt werden. Außerdem müssen alle drei auch unterschiedlich gelagert werden. Wasserstoff bei (etwa) -250 Grad, Fluor bei -190 und Lithium braucht wenigstens 180 Grad um flüssig zu sein. In einem Geschäft, in dem Zuverlässigkeit ganz oben steht und möglichst geringe Komplexität wo immer möglich angestrebt wird, ist allein das schon ein ernsthaftes Hindernis.

Aber es geht auch ohne das Lithium. Die Mischung aus Wasserstoff und Fluor verbrennt zu Fluorwasserstoff und erreicht dabei einen höheren spezifischen Impuls als Wasserstoff und Sauerstoff. Noch dazu ist der Wasserstoffanteil der Mischung viel kleiner und die Dichte ist größer. Warum also tut man das nicht? Weil Fluor allgemein, und Fluorwasserstoff im besonderen, nicht eben zu den angenehmsten Substanzen gehören, mit denen man es Tonnenweise zu tun haben will.

Im Prinzip könnte Fluor mit jedem Brennstoff an Stelle von Sauerstoff verwendet werden. Aber der Aufwand mit Sauerstoff ist viel kleiner und die Erfahrung so viel größer, dass es sehr leicht fällt der Versuchung der etwas größeren Effizienz zu widerstehen.

Ok, aber woher diese Selbstsicherheit, dass es nicht besseres gibt? Kann es nicht sein, dass ein Chemiker eine Verbindung entdeckt, die noch besser für Raketentreibstoffe geeignet ist und noch höheren spezifischen Impuls produziert?

Woher kommt der spezifische Impuls?

Als Tsiolkovski von Wasserstoff und Sauerstoff als einem guten Treibstoff sprach, war das nicht nur geraten. Der spezifische Impuls ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle der Verbrennungsgase bei der hohen Temperatur in der Brennkammer bewegen. Diese Geschwidigkeit setzt sich aus mehreren Faktoren zusammen.

Das erste ist die Temperatur. Die sagt uns, wieviel Energie jedes Molekül im Durchschnitt zur Verfügung hat. Dazu braucht man nur die Temperatur mit der Boltzmannkonstante zu multiplizieren und man erhält die Energie pro Molekül. Nämlich 1,38*10^-23 J/K. Daran lässt sich nichts mehr ändern, sobald die Temperatur feststeht.

Würden wir jetzt nicht von Molekülen sprechen, sondern von einem Edelgas wie Helium oder Neon, dann könnten wir direkt die Geschwindigkeit der Moleküle in der Brennkammer aus der Formel für die kinetische Energie ausrechnen.
E=0,5m*v²

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Kommentare (16)

  1. #1 Tobalt
    27. Mai 2015

    Die Grenzen der chemischen antriebe liegen ja wirklich sehr gering und ich glaube auch dass unser Verständnis der chemie zu umfassend ist, als dass da plötzlich noch etwas potenteres entdeckt werden könnte.

    In einem deiner letzten Beiträge hattest du ja ermittelt dass auch mit Fusionsreaktoren maximal ca 10% der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden können (weil der Brennstoff ja mitbeschleunigt werden muss). Selbst Antimaterieannihilation bringt einen nicht wirklich auf hochrelativistische Geschwindigkeiten, womit durch zeildilatation bedingte ferne reisen möglich würden.

    Über dieses Problem hatte ich noch nachgedacht und mich würde deine Meinung interessieren. Sicher ist diese Idee nicht neu und vielleicht weißt du wo ich dazu mehr lesen kann:

    Die Argumentation baut auf den Kardashev Zivilisationen auf. Wenn Leben und Intelligenz nicht so exotisch sind, dass wir einzigartig sind, sollten sich hochentwickelte Zivilisationen astronomisch beobachten lassen. Nach unserem derzeitigen Verständnis benötigt intentionelle Aktion einen Energieaufwand, da energielose Aktion nur mit steter entropiemaximierung einhergehen kann, und man also ohne Energie nicht mehr wählen kann was man tut, sondern nur die entropiemaximierende Handlung statfindet. Deshalb hat Kardashev sinnigerweiße die Zivilisationsstufen nach der Energienutzung gruppiert.Würde im gut beobachtbaren Universum eine hohe Kardashevzivilisation existieren wäre uns das schon aufgefallen. und es wurde ja auch schon berichte ala “keine Hinweise auf Dysonsphären” publiziert. Hieraus ergeben sich ja ein paar erklärungsmöglichkeiten:

    1) Wir sind doch exotisch, worauf ich nicht näher eingehen möchte da trivial.

    2) Hohe zivilisationen sind sagen wir mal “metaphysisch”. Insbesondere können sie ohne entropiemaximierung agieren. Ein solches level ist für uns nicht absehbar, und solche Zivilisation mangels verständnis wohl auch nicht nachweisbar, sofern sie nicht eigenen willens mit uns interagieren wollen. Auch möglich ist, dass wir für solche spezies nicht erkennbar sind, da zu fremd.

    3) die für diese diskussion relevanteste option: Die nukleare energie, also das was wir aus der schwachen WW beziehen können, ist nicht die ultimative Energiequelle. Es gibt ja zB noch immer die möglichkeit, dass laut standardmodell das universum nicht im Grundzustand ist (http://en.wikipedia.org/wiki/False_vacuum). neuere Messungen am top quark sollen hier demnächst auffschluss bringen. Da wohl derzeit nicht vollständig beschreibbar ist, wie so eine zustandsänderung aussehen würde, darf man ja zumindest mal diskutieren was möglich wäre, wenn man in einer ungefährlichen raumregion lokal den grundzustand annehmen würde. Welche energien würden denn dadurch ungefähr gewonnen?

  2. #2 Chemiker
    27. Mai 2015

    Mehl ist kein Raketentreibstoff!

    Ich weiß, daß Fluor ein Sch…wort ist, aber es schreibt sich wirklich so. Von lat. fluĕre ‘fließen’ (weil es aus Flußspat gewonnen wird).

    Das Stickstofftrioxid nehme ich Dir auch nicht wirklich ab. Oder meinst Du N₂O₃? Warum sollte man das nehmen, wenn man doch auch NO₂ bzw. N₂O₄ haben kann, das besser oxidiert?

    • #3 wasgeht
      27. Mai 2015

      Ich greife mir manchmal selbst an den Kopf, diesmal recht heftig. Dass das Wort Fluor von Flussspat kommt wusste ich noch nicht, ist aber sehr hilfreich beim merken!

      Stickstofftrioxid ist mir beim Schreiben rausgerutscht. Keine Ahnung wie ich darauf kam, aber wahrscheinlich hatte ich die Summenformel der Salpetersäure und das Kürzel NTO im Kopf und daraus Stickstofftrioxid gemacht. Es steht natürlich für Stickstofftetroxid.

  3. #4 werner
    27. Mai 2015

    “Dazu kommt, dass Chlor mit Wasserstoff zu Salzsäure reagiert, die dann beim Start zusammen mit einigen unverbrannten Perchloraten in der Gegend verteilt werden, was der Umwelt im nicht gut tut.”
    Nun ja, die Verbrennung von Wasserstoff mt Fluor erzeugt HF, und das ist noch viel weniger umweltfreundlich als Salzsäure.
    Andere interressante “Treibstoffe” die heute eher als Brisanzsprengstoffe in der Diskussion ist, wären hochstickstoffhaltige Ringverbindungen wie Hexogen, Oktogen und Konsorten, insbesondere die gespannten Ringverbindungen.

  4. #5 Chemiker
    27. Mai 2015

    @Tobalt

    Zu Deinem Punkt Drei: Ja, vielleicht kann man aus dem Vakuum Energie ziehen. Aber wenn die ETs wie wir ticken, dann bildet sich sofort eine Bürgerwegung Hände weg vom Vakuum!!! (oder Tentakel oder was auch immer anatomisch paßt). Denn die Umweltauswirkungen dieser Technik wären ziemlich schwer abzuschätzen und ziemlich, ähh, universell.

    Ein energiebedürftiger Fisch, der in unterkühltem Wasser schwimmt, könnte ja auch durch kontrollierte Kristallisation des Wassers Wärme erzeugen und sich daran erfreuen. Das Problem liegt im kontrolliert: Wenn er nicht fürchterlich aufpaßt, dann findet er sich bald tiefgefroren in einem Eisblock wieder.

  5. #6 Alderamin
    28. Mai 2015

    @Frank

    Dazu kommt, dass man Feststoffbooster nicht wiederverwenden kann. Oder besser gesagt, der Aufwand (Bergung, Reinigung, Reparatur) dafür hat bisher immer mehr Geld gekostet als ein neuer Booster.

    Ernsthaft? Hat man die Shuttle-Booster, die man sanft im Meer niedergehen ließ, allesamt weggeworfen? Das wusste ich gar nicht, ich dachte immer, nur der Tank sei nicht wiederverwendbar gewesen..

    • #7 wasgeht
      28. Mai 2015

      Ja. Man hat sie später noch zur Untersuchung geborgen, aber mehr auch nicht.

      Man hat ja auch die Cockpit-Fenster ausgetauscht, weil das leichter war als sie nach dem Wiedereintritt zu reinigen. Die Hitzeschutzkacheln waren auch so ein Problem etc. pp.

      Es gab gute Gründe, weshalb das SpaceShuttle Programm $200 Mrd gekostet hat, bei gerade einmal 135 Flügen.

  6. #8 Alderamin
    28. Mai 2015

    @Frank

    Ich vergaß noch zu sagen: Wow, superinteressant. Die Physik der Treibstoffe ist mir gänzlich neu.

    Was die Freiheitsgrade betrifft: da müsste Plasma ja perfekt sein mit nur dreien. Ionenantriebe verwenden ja schon solches. Keine Ahnung, ob da auch chemisch etwas ginge (hinreichend hohe Temperatur, aber das wäre dann wohl für die Düse zu viel des Guten).

    Geht noch was? Freie Radikale? Wohl eher nicht, die flögen einem sofort um die Ohren. Oder gibt’s da Ideen, wie man sie erst im Triebwerk freisetzen könnte?

    • #9 wasgeht
      28. Mai 2015

      Atomarer Wasserstoff wäre natürlich noch viel besser. Aber die Temperaturen um einen Großteil der Wasserstoffmoleküle zu spalten liegen scheinbar im Bereich weit jenseits der 10.000K.

      Aber du kannst mal Robert Zubrin fragen, der hat eine Antwort auf die Frage, wie man auf solche Temperaturen kommt. :)

  7. #10 tobalt
    28. Mai 2015

    Chemiker: um wieviel energie pro … ? Pro raumzeitvolumen oder was? Würde es sich denn handeln. Das zu kontrollieren ist ja wieder ein anderes thema ;-)

  8. #11 definition
    28. Mai 2015

    Das ist jetzt nur laut gedacht und basiert auch auf keinerlei konkretem Wissen. Aber es wäre doch schön, wenn man das Ärgernis auf halben Flug immer halbvolle Tanks mit hochschleppen zu müssen, umgehen könnte indem man die Rakete selbst aus Treibstoff baut oder sie sich nach und nach zumindest selbst auflöst. Vielleicht schaffen wir das auch mal irgendwann. Ich stelle mir da auch sowas extrem minimalistisches vor, wie einen Feststoffzylinder, den man unten anzündet und der dann nach und nach einfach abbrennt wie ne Zigarette. Dann bräuchte man keine Stufen und ähnliches mehr.
    Aber man wird ja wohl noch träumen dürfen.

    • #12 wasgeht
      28. Mai 2015

      So dumm ist der Gedanke nicht. Die Idee hatte schon jemand. Man nimmt das Aluminium der Tanks und verwendet es als Grundlage für einen festen Treibstoff.

      Das Problem ist nur, dass man dafür das Aluminium wirklich sehr klein zerkleinern muss. Das ist äußerst aufwändig und die Maschinerie dafür müsste man mit schleppen oder schon im Orbit haben. Außerdem müsste man noch den Oxidator mit bringen, Wasser oder Ammoniumperchlorat zum Beispiel. Spätestens an dem Punkt ist der Aufwand aber so groß, dass man den Brennstoff auch noch mit schleppen kann.

  9. #13 Nordlicht_70
    29. Mai 2015

    @wasgeht
    Ein wirklich interessanter Artikel.
    Es geht zwar eigentlich konkret um Treibstoffe, trotzdem mal an dich ‘ne Frage – die Feststoffbooster wurden ja gerade angesprochen.
    Ich stelle mir das so vor, dass bei Feststoffboostern der Treibstoffbehälter ja identisch ist, mit der Brennkammer. Entsprechend hoch müssen die Qualitätsanforderungen an diesen Behälter sein, der ja “gewisse” Drücke und Temperaturen auszuhalten hat. Außerdem vergrößert sich ja quasi das Volumen der “Brennkammer” mit abnehmendem Treibstoff und ist damit offensichtlich nicht optimal geformt. Dazu kommt, dass man ein Feststofftriebwerk nicht abschalten (sondern höchstens abwerfen?) kann.
    Warum benutzt man denn wegen dieser vielen Nachteile überhaupt noch Feststoffbooster? Oder überwiegt der Vorteil der einfachen Bauweise tatsächlich die ganzen Nachteile? (Oder habe ich da völlig falsche Vorstellungen?)

    • #14 wasgeht
      29. Mai 2015

      Das hast du alles völlig richtig beschrieben. Mit den hohen Drücken kommt man zurecht, indem man mehr Material verwendet. Deswegen sind die Dinger auch so schwer. (Wie ich auch im Artikel zur Vega Rakete schrieb.)

      Die Form der “Brennkammer” ist in der Tat variabel und hängt von der Form bei der Zündung ab. Man verwendet zum Beispiel gern ein langes, sternförmiges Loch entlang der Mitte. Wegen der großen Oberfläche verbrennt dann am Anfang mehr Treibstoff und der Booster hat so am Anfang mehr Schub als am Ende.

      Warum man sie verwendet? Die Konstruktion ist simpel. Man hat keine Pumpen etc. Außerdem hat man aus dem Militär unglaublich viel Erfahrung damit, solche Raketen zu bauen.

      Die Vorteile werden aber meiner Einschätzung nach bei den großen Raketen durch die Nachteile überwogen. Die Kosten für Raketen mit großen Feststoffboostern sprechen da eigentlich für sich.

  10. #15 Aasaas
    29. Mai 2015

    Ich hab einmal irgendwo gehört, dass die NASA in den 60ern Dimethylquecksilber als Treibstoff in Betracht gezogen hat und bei einer Chemiefirma etliche Tonnen bestellen wollte und sich die Firma einfach nur gedacht hat: WTF?
    http://de.wikipedia.org/wiki/Dimethylquecksilber

    • #16 wasgeht
      29. Mai 2015

      Ja, es gab ein paar arme Irre, die nicht verstanden hatten, dass das nichts bringt. Weil Quecksilber irgendwo ganz unten im Periodensystem bei so ca. 200g/mol steht. Hat einfach zu wenig spezifischen Impuls.