Neon Atome wiegen aber 5 mal so viel wie Helium. Die Geschwindigkeit der Helium Atome wird deswegen bei der gleichen Temperatur 2,23 mal so groß sein, wie die der Neon Atome. Es bietet sich also an, Treibstoffe mit möglichst leichten Atomen zu benutzen. Wenn wir von chemischen Raketentreibstoffen reden, können wir also den größten Teil des Periodensystems vergessen und um so weiter oben um so besser ist es. Schauen wir uns das mal an:
(Aus der Wikipedia)
Schon sehen wir, warum Wasserstoff und Lithium die besten Brennstoffe sind. Sie sind die leichtesten Stoffe, ganz am Anfang. Beryllium ist etwas schwerer und viel seltener als alle anderen Stoffe hier und fällt allein deswegen weg. Bor-Wasserstoffverbindungen gibt es und wurden zumindest als Treibstoff getestet, sind aber sehr exotisch im Vergleich zu den leicht erhältlichen Kohlenwasserstoffverbindungen. Das sind auch schon die wichtigsten Brennstoffe. Bei der Entwicklung von Feststofftriebwerken griff man letztlich zu Aluminium als ein Teil des Brennstoffes. Ein wesentlicher Grund für deren begrenzte Effizienz.
Die müssen aber mit etwas reagieren und sie reagieren nur mit Stoffen von der anderen Seite des Periodensystems, mit negativer Oxidationszahl. Stickstoffgas ist sich selbst genug und viel zu träge – die dreifache Elektronenpaarbindung ist zu stabil. Ganz im Gegensatz zu Stickstoff-Sauerstoffverbindungen, ganz gute Oxidatoren sind und auch häufig zum Einsatz kommen. Entweder als Salpetersäure oder Distickstofftetroxid. Als reine Stoffe, die auch effizienter sind, bleiben nur Sauerstoff und Fluor. Chlor ist doppelt so schwer – das wird man vermeiden, wenn es geht. (Fluor-Sauerstoff und Fluor-Chlor Verbindungen sind ebenso interessant. Man sollte sein Interesse dafür aber in gute Laufschuhe investieren und davon rennen. Irgendwann kommt auch ein Artikel dazu.)
Es hängt nun von der chemischen Reaktion ab, wieviel Energie bei der Verbrennung frei wird und pro Molekül zur Verfügung steht. Aber Moleküle sind keine Edelgasatome.
Es spielt eine wichtige Rolle, welche geometrische Form die Verbrennungsprodukte haben. Denn die Energie eines Moleküls steckt nicht nur in der Bewegungsrichtung, sondern auch in der Rotation. Da die Moleküle unkontrolliert kollidieren, geraten sie auch alle (statistisch gesehen) gleichmäßig in allen drei Achsen in Rotation. Jede Rotationsrichtung in diesen drei Achsen nimmt so viel Energie auf, wie die Bewegung in jede der drei Raumrichtungen (x,y,z). Man spricht da von 6 Freiheitsgraden. Die Rotation der Moleküle bringt unsere Rakete aber kein Stück vorwärts, wenn sie das Triebwerk verlassen. Deswegen spielt für das Triebwerk nur die Energie aus 3 der 6 Freiheitsgrade eine Rolle.
Ein wenig anders sieht es aus, wenn das Molekül stabförmig ist. Dann gibt es eine Rotationsrichtung die kaum Energie aufnehmen kann, nämlich die um die eigene Achse des Stabes. Das betrifft alle Moleküle die aus zwei Atomen bestehen und einige gestreckte Moleküle – bei Raketen vor allem CO2. Solche Moleküle haben nur 5 Freiheitsgrade, von denen uns 3 nützlich sind. Es bleibt also etwas mehr Energie übrig.
Was bringt das nun?
Wenn bei der Verbrennung also ein Stoff wie Fluorwasserstoff aus zwei Atomen entsteht, dann hat der einen leichten Vorteil gegenüber Wasser, das aus drei winklig angeordneten Atomen besteht. Deswegen ist Fluor-Wasserstoff auch effizienter als Sauerstoff-Wasserstoff, obwohl die freigesetzte Energie ungefähr gleich ist.
Kohlenwasserstoffe wie Kerosin oder Methan sind weniger Effizient als Wasserstoff allein. Das liegt daran, dass der Kohlenstoff zu einem schweren CO2 Molekül verbrennt. Während H2O ein Molekülgewicht von 18 g/mol hat, hat CO2 ein Molekülgewicht von 44 g/mol.
Kohlenmonoxid CO wäre ein viel besseres Verbrennungsgas als CO2. Es hätte nur ein Gewicht von 28g/mol. Noch viel besser wäre purer Wasserstoff mit einem Gewicht von 2g/mol. Und das kann man haben. Natürlich nicht vollständig, denn irgendwoher muss das Gas die hohe Temperatur bekommen und die bekommt sie von der Verbrennung des Brennstoffs mit Sauerstoff. Aber niemand sagt, dass die Verbrennung vollständig sein muss. Tatsächlich lohnt es sich, mehr Brennstoff in die Brennkammer zu pumpen, als mit der Menge an Sauerstoff verbrannt werden kann. Die Verbrennung sorgt in dem Fall für einen gewissen Anteil an heißem und sehr effizientem Wasserstoffgas.
(Tatsächlich war die Aussage, dass man nicht einfach nur puren, heißen Wasserstoff als Treibstoff haben kann, gelogen. Aber auch dazu kommt noch ein eigener Artikel.)
Beispielsweise müsste man Sauerstoff und Wasserstoff im Gewichtsverhältnis 8:1 verbrennen, um den gesamten Wasserstoff zu verbrennen. In der Praxis verwendet man aber weniger Sauerstoff und das Verhältnis sinkt auf 6:1 bis 5:1. Wobei 5:1 das optimale Verhältnis für den maximalen Spezifischen Impuls ist, darüber bringt die Verbrennung nicht mehr genug Wärme. Aber man benutzt oft das Verhältnis 6:1 als Kompromiss. Denn Wasserstoff nimmt ein unglaublich großes Volumen ein und wenn man eine Raketenstufe mit einem bestimmten Volumen vor sich hat, dann bringt das Verhältnis 6:1 die optimale Leistung, wenn auch mit insgesamt mehr Treibstoffmasse. Das Vulcain Triebwerk der Ariane 5 nutzte zum Beispiel zunächst das Optimum für die Effizienz, das danach folgende Vulcain II war auf die größere Leistung optimiert. Ganz ähnlich funktioniert die Sache auch mit Kerosin, auch wenn man es da hauptsächlich die unvollständigen Verbrennungsgase wie CO abgesehen hat.
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