Was ist der beste Weg, ein paar hundert Kilo Treibstoff pro Sekunde zu verbrennen? So ein Raketentriebwerk ist schon eine phaszinierende Sache. Ein Höllenfeuer gespeist aus unglaublichen Treibstoffmengen tobt in einer kleinen Kammer, mit einer kleinen runden Öffnung – und im allgemeinen fliegt einem das Ding nichtmal um die Ohren.
Erstaunlicher Weise sind es nicht einmal mehr die Temperaturen, die das größte Problem beim Bau von Raketentriebwerken darstellen. Man hat gut wirksame Tricks gefunden, um die Temperatur an den entscheidenden Stellen klein genug zu halten. Man kann zum Beispiel einen Teil des Treibstoffs direkt gegen die Wand der Brennkammer sprühen, bevor er verbrennen kann. Dann bildet sich dort eine dünne Schicht Treibstoff, die die Temperaturen dort unterhalb der Schmelztemperatur des Materials halten. Von der Außenseite wird gekühlt, indem man den Treibstoff noch bevor er in die Brennkammer kommt, durch dünne Kanäle hindurch pumpt. Hat der Treibstoff seine Aufgabe als Kühlmittel erfüllt, kommt er in die Brennkammer und wird verbrannt.
Das soll nicht heißen, dass es einfach wäre, aber das Problem ist lösbar. (Sagte der Mathematiker als er den Feuerlöscher erblickte und sich in Anbetracht des Zimmerbrandes wieder schlafen legte.)
Ein ganz anderes Problem stellt es dar, die Unmengen Treibstoff in das Triebwerk zu bekommen. Das ist nicht nur eine Frage der Menge, es ist auch eine Frage des Drucks. Ein hoher Druck in der Brennkammer hilft beim Start von der Erde ungemein, denn der Abgasstrahl muss zunächst gegen den Luftdruck ankämpfen. Genauso wichtig ist aber auch, dass der höhere Druck zu einer höheren Verbrennungstemperatur führt.
Die Temperatur sagt uns, wieviel Energie jedes einzelne Molekül des Verbrennungsgases im Durchschnitt hat. Um so mehr Energie sie haben, um so schneller bewegen sich die Teilchen des Gases. Wie wir im letzten Blogbeitrag gesehen haben, hilft das ungemein. Man braucht weniger Treibstoff um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen und kann deswegen mehr Nutzlast mitnehmen. Man verzichtet nur ungern auf Nutzlast, aber sehr gern auf komplexe Technik. Das ganze schreit nach einem Kompromiss und Möglichkeiten für Kompromisse gibt es eine ganze Menge.
Die erste Möglichkeit ist, schlicht auf hohen Brennkammerdruck zu verzichten. Dafür setzt man die Treibstofftanks mit einem Gas unter genug Druck, dass der Treibstoff von allein in die Brennkammer gedrückt wird. Solche Triebwerke sind weniger effizient, aber sehr einfach aufgebaut. Gerade bei sehr kleinen Raketenstufen ist das eine beliebte Technik. Bei Raketentriebwerken von Satelliten und Raumsonden gibt es gar nichts anderes. (Von Ionentriebwerken und ähnlichen einmal abgesehen.) In der Praxis sieht das dann so aus:
Das Gas, das für den Druck sorgt, kann nun durch die Hitze der Brennkammer noch etwas aufgeheizt werden, was den Druck deutlich erhöht. Das Gas kann auch der Treibstoff selbst sein. Flüssiges Methan etwa kann aufgeheizt werden und so zu Gas werden, flüssiger Sauerstoff ebenso. Der Treibstoff setzt ich selbst unter Druck. Ein Verfahren, das beispielsweise die Alpha Rakete von Firefly einsetzen soll.
Will man einen höheren Druck in der Brennkammer haben, braucht man Pumpen mit hoher Leistung. Dafür benutzt man Turbopumpen. Die funktioniert wie ein monströser Turbolader für einen Automotor. Eine Turbine wird mit dem Raketentreibstoff angetrieben, die Turbine treibt die Pumpe an, die Pumpe pumpt den Treibstoff in das Raketentriebwerk. Tolle Sache das, hat nur einen Haken: Die Temperaturen beim Verbrennen des Raketentreibstoffs würden die Turbine schmelzen lassen. Die Tricks zur Kühlung der Wand in der Brennkammer funktionieren hier auch nicht, die Turbine ist zu komplex dafür und muss sich extrem schnell drehen.
Der einzige Weg, um die Temperaturen zu senken ist, keine optimale Mischung aus Brennstoff und Oxidator zu benutzen. Entweder nimmt man einen Überschuss von Brennstoff (z.B. Kerosin/Methan/Wasserstoff) oder vom Oxidator (meistens Sauerstoff). In beiden Fällen sorgt die nicht-optimale Mischung für erträglichere Temperaturen. Bei der Ariane 4 hat man schlicht Wasser hinzu gegeben, weil der Brennstoff (UDMH) aus der Sovietunion (später Russland) importiert wurde und recht teuer war.
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