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Raketentreibstoff

Raketentreibstoff

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Als Raketentreibstoff werden die Antriebsstoffe einer Rakete, genauer eines Raketenmotors, bezeichnet. Durch ihn entsteht der Schub einer Rakete. Wichtige Eigenschaften sind neben dem Preis auch seine Dichte, Lagerfähigkeit (Zersetzung), Gefährlichkeit (Selbstentzündung, Zündverhalten und Umweltverträglichkeit) und Aggressivität (Korrosion) gegenüber Tank, Leitungen, Pumpen und Turbinen.

Effizienz

Die wichtigste Eigenschaft eines Raketentreibstoffes aus antriebstechnischer Sicht ist sein spezifischer Impuls, welcher ein Maß für die Effektivität von Triebwerk und Treibstoff darstellt. Je höher er ist, desto besser sind der Treibstoff und das Triebwerk. Der volumenspezifische Impuls zieht dabei noch die Dichte des Treibstoffes (und damit indirekt die erforderliche Tankgröße) mit ein.

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 schwierig lagern, da auch bei aufwendigen Tankisolierungen ein Verdampfen nicht vermieden werden kann.

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. Bei der chemischen Reaktion werden Wärmeenergie und Reaktionsprodukte frei, durch die hohe Drücke und Temperaturen in der Brennkammer entstehen, wodurch die Reaktionsprodukte mit möglichst hoher Geschwindigkeit aus der Triebwerksdüse ausgestoßen werden.

Bei chemischen Raketentreibstoffen sind meistens ein Treibstoff (auch Brennstoff genannt) und ein Oxidator erforderlich. Diese können vor dem Start in gemischter (Feststoffrakete) oder ungemischter Form vorliegen. 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 Festtreibstoffe sind langsam abbrennende Explosivstoffe.

Homogene Festtreibstoffe

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) enthalten. 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 Festtreibstoffe (Composits)

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

Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt oder für einige militärische Raketen üblich sind, werden meistens spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat oder Natrium-/Ammoniumnitrat, Aluminiumpulver, Kunstharz (Butylkautschuk[1], Gummi, Polyethylen, Polybutadien, Polyurethane, Polysulfide usw. als Bindemittel[2]) 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 den Transport und die 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.

Als Beispiel der Zusammensetzung können die Booster des Space Shuttle dienen. Bei diesen besteht der Treibstoff aus 69,93 % Ammoniumperchlorat als Oxydator, 16 % Aluminiumpulver als Brennstoff und 0,07 % Eisenoxidpulver als Katalysator. Als Bindesubstanz werden 12,04 % Polybutadienacrylsäureacrylonitril und 1,96 % eines Epoxyhärters eingesetzt, die ebenfalls mit verbrennen und so zusätzlichen Schub liefern.[3]

2009 ist es gelungen, in dem neuen Raketentreibstoff Alice die Explosivität von Aluminium und Wasser zu nutzen.

Hybridtreibstoff

Als Hybridtreibstoff (Lithergol) bezeichnet man eine Mischantrieb aus einer festen und einer flüssigen Treibstoffkomponente[4]. Meistens ist der reduzierende Treibstoff fest, oft ein Kunststoff, zum Beispiel HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Poly-Butadien) oder in diesen eingebunden z.B. Lithiumhydrid etc. Der Oxidator ist dann flüssig, meistens Salpetersäure, Distickstoffmonoxid, flüssiger Sauerstoff, Fluor, Sauerstoffdifluorid, 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

Als Flüssigtreibstoff werden im Betriebszustand flüssige Treibstoffe bzw. Oxidatoren bezeichnet, die in den Raketentriebwerken verwendet werden. Man unterscheidet Monergole (Einstofftreibstoffe), Diergole (Zweistofftreibstoffe) und Triergole (Dreistoffsysteme), was direkt zur Anzahl der notwendigen separaten Tanks führt.

Monergole

Die Flüssigtreibstoffe dieser Kategorie gehören zu den niederenergetischen Treibstoffen. Monergole werden im Fall der sogenannten Katergole durch Hinzubringen eines Katalysators zum Zerfall gebracht, andere Formen wie der Torpedotreibstoff Otto 2 werden oxidativ umgesetzt. Ein Beispiel für ein Katergol ist Hydrazin, welches zum Beispiel für Lageregelungssysteme von Raumflugkörpern verwendet wird. Hierbei wird Hydrazin mit Hilfe eines Katalysators (Iridium oder Molybdän-Nitrid auf Aluminiumoxid mit großer Oberfläche) zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt. Ein anderes Beispiel ist eine 70%-80% Lösung von Wasserstoffperoxid. Als Katalysator wird hier Kalziumpermanganat oder versilberte Gaze eingesetzt. Wasserstoffperoxid ist jedoch wegen seiner Neigung zur spontanen Zersetzung (schon bei geringen Verunreinigungen durch metallische oder organische Substanzen) sehr gefährlich. Auch Ethylenoxid lässt sich als Monergol einsetzen. Es zerfällt dabei in Methan und Sauerstoff. Das entstandene Gasgemisch lässt sich in einem Nachbrenner vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidieren.

Leistungsdaten einiger Monergole
Brennstoff Katalysator Isp(Ns/kg) im Vakuum
N2H4 Iridium auf Aluminiumoxid 2220
H2O2 Calciumpermanganat 1860

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, die Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 4500 m/s (13680 km/h) im Vakuum erreichen 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) 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: liquid oxygen), Wasserstoffperoxid, rauchende Salpetersäure (RFNA: red fuming nitric acid), Distickstofftetroxid oder Distickstoffmonoxid. Prinzipiell denkbar, aber aus Umweltschutzgründen praktisch nicht realisierbar, ist auch flüssiges Fluor.

Die Zündung erfolgt entweder elektrisch, mit einer Feststoffkartusche, 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 RP-1 2,58 1,03 3403 2941
O2 C3H4 2,05 1,08 N/A 3093
O2 C2H4 2,38 0,88 3486 3053
O2 CH4 3,21 0,82 3260 3034
O2 N2H4 0,90 1,07 3130 3070
O2 H2 4,02 0,28 2700 3830
O2 B2H6 1,96 0,74 3489 3351
O2 B5H9 2,12 0,92 3834 3124
ClF3 C10H20 3,20 1,41 3250 2530
ClF3 N2H4 2,81 1,49 3650 2885
H2O2(95%) UDMH 4,54 1,24 2650 2720
H2O2(95%) RP-1 7,35 1,30 2915 2730
H2O2(95%) N2H4 2,17 1,26 2580 2760
N2O4 Aerozin 2,00 2,00 3100 2820
N2O4 MMH 2,17 1,19 3122 2827
N2O4 N2H4 1,36 1,21 2992 2862
HNO3 C10H20 4,80 1,35 2960 2630
HNO3 N2H4 1,45 1,28 2800 2830
F2 N2H4 2,30 1,31 4440 3560
F2 H2 7,60 0,45 3600 4020
F2 B5H9 5,14 1,23 5050 3502
F2 CH4 4,53 1,03 3918 3414
OF2 H2 5,92 0,39 3311 4014
OF2 CH4 4,94 1,06 4157 3485
OF2 B2H6 3,95 1,01 4479 3653
OF2 RP-1 3,87 1,28 4436 3424
OF2 MMH 2,28 1,24 4075 3427
OF2 N2H4 1,51 1,26 3769 3381
OF2 B5H9 4,16 1,20 4825 3539
N2F4 CH4 6,44 1,15 3705 3127
N2F4 MMH 3,35 1,32 3819 3163
N2F4 N2H4 3,22 1,83 4214 3283
N2F4 B5H9 7,76 1,34 4791 3259

(Brennkammerdruck von 7 MPa, Entspannungsverhältnis 1:70, adiabate Verbrennung, isentrope 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 (drei Tanks!) nie praktisch eingesetzt.

Theoretische Leistungsdaten einiger Triergole
Oxidator Brennstoff Zusatzbrennstoff Spez. Impuls Ns/kg Steigerung
O2 H2 26% Beryllium 4500 17%
O2 H2 29% Lithium 4000 4%
O2 Hydrazin 15% Beryllium 3350 9%
F2 Hydrazin 25% Lithium 3700 3%
F2 H2 15% Beryllium 4100 2%
F2 H2 20% Lithium 4400 9%
N2O4 MMH 15% Beryllium 3100 10%
N2O4 MMH 15% Aluminium 2900 3%
N2O4 N2H4 10% Beryllium 3200 12%
H2O2 N2H4 13% Beryllium 3300 17%

(Brennkammerdruck von 7 MPa, Entspannungsverhältnis 1:70, adiabate Verbrennung, isentrope Entspannung, chemisches Gleichgewicht)

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. Als weiterer Nebeneffekt ergibt sich eine leicht niedrigere Temperatur mit entsprechend geringeren Anforderungen an das Kühlsystem des Antriebs, so dass sich bei „einer Reduzierung des Sauerstoffgewichts“ eine Steigerung an Nutzlast ergab.

Heute verwendet man bei Wasserstoff-Sauerstofftriebwerken Wasserstoff und Sauerstoff im Massenverhältnis 1:4 bis 1:6 (statt des stöchiometrisch richtigen Massenverhältnisses von 1:8).

Aktuell verwendete chemische Treibstoffe

Besonders verbreitet sind bei Großraketen folgende Kombinationen:
Zum Antrieb:

Für das Lagekontrollsystem kommen nur nicht-kryogene Stoffe zum Einsatz:

  • MMH mit Distickstofftetroxid oder MON als Hypergol
  • Hydrazin als Monergol

Forschung

Es werden momentan zwei Möglichkeiten untersucht, den spezifischen Impuls von chemischen Triebwerken zu steigern: Freie Radikale und metastabile Elemente. Alle Methoden befinden sich noch im Experimentierstadium:[5]

  • Ozon ist zwar instabil, das Allotrop Tetrasauerstoff soll aber stabiler sein. Damit wären spezifische Impulse von bis zu 564 s (5538 Ns/kg) im Vakuum möglich.
  • Man versucht ebenfalls Wasserstoffradikale als Treibstoff zu verwenden. Um die Stabilität des Elements zu erhöhen, werden sie unter den flüssigen Wasserstoff gemischt. Wird diese Kombination (mit theoretischen 15,4% Radikalen) mit flüssigem Sauerstoff verbrannt, können spezifische Impulse von bis zu 750 s (7358 Ns/kg) im Vakuum entstehen.
  • An der Université d’Orsay in Paris wurde testweise metastabiles Helium erzeugt und als Bose-Einstein-Kondensat gespeichert. Die Reaktion von metastabilem Helium zu Helium würde spezifische Impulse von 2825 s (27.713 Ns/kg) möglich machen, mehr als bei nuklearen Antrieben.

Treibstoffe in elektrischen Antrieben

Die Bezeichnung Treibstoff (vor allem aber der Begriff Brennstoff) ist bei elektrischen Antrieben irreführend, da er nur als Medium zur Impulsübertragung, nicht aber als eigentliche Energiequelle fungiert. Anstelle dessen wird allgemein von Stützmasse gesprochen.

Bei einem Ionenantrieb dienen als Stützmasse 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 ausgestoßen, diese dafür aber mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die dabei erreichten Schubkräfte sind extrem klein. Außerdem funktioniert das Triebwerk nur im Hochvakuum, wie es zum Beispiel im Weltraum vorliegt.

Bei thermischen Lichtbogentriebwerken wird mit Hydrazin, Ammoniak oder Wasserstoff gearbeitet. Der Lichtbogen erhitzt die Stützmasse, die dadurch expandiert und durch eine Düse nach hinten beschleunigt wird.

Treibstoffe in nuklearen Antrieben

Als Stützmasse in einem Nuklearantrieb wird flüssiger Wasserstoff oder Ammoniak verwendet, welche mit Hilfe eines Reaktors auf ca. 3000 Grad Celsius aufgeheizt wird (Projekt NERVA).

Das Orion-Projekt sah den Einsatz kleiner Atombomben als Antrieb vor.

Fusionsantrieb

Es gibt mehrere Ansätze, einen Fusionsantrieb zu realisieren. Einer davon benutzt Laserpulse, um eine geringe Menge 3He auf die für eine Fusion nötige Temperatur zu bringen. Die hochenergetischen Reaktionsprodukte verlassen durch eine magnetische Düse den Antrieb. Zündet man viele solcher Reaktionen in Folge, würde ein quasi kontinuierlicher Rückstoß entstehen.

Antimaterieantrieb

Die Energie für einen derzeit hypothetischen Antimaterieantrieb würde durch eine Paarvernichtung von Materie und Antimaterie geliefert werden. Bei diesem Prozess wird die gesamte Ruheenergie der Teilchen vollständig freigesetzt. Dabei wird in eine Wolke aus Materie ein wenig Antimaterie geschossen. Die Materie erhitzt sich dadurch enorm, Kernfusionsprozesse setzen ein und erhitzen die Materie weiter. Diese wird anschließend durch eine magnetische Düse ausgestoßen.

Das größte Problem aus der heutigen Sicht stellt die Erzeugung und Lagerung von Antimaterie dar. Da die Produktion soviel Energie verbraucht, wie die Reaktion später liefert, scheidet eine Produktion an Bord des Raumschiffs aus. Die Antimaterie müsste mitgeführt werden. Die Lagerung dieser muss 100-prozentig zuverlässig sein, da sonst das Raumschiff zerstört würde.

Mit dem jetzigen Stand der Technik ist ein Antimaterieantrieb nicht möglich, da man keine Möglichkeit kennt, größere Mengen an Antimaterie zu erzeugen. Mit dem Materie-Antimaterie-Triebwerk könnte man fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Für einen Flug zum Mars hin und zurück wären nur etwa 0,1 Gramm Antiprotonen nötig, doch selbst die Herstellung dieser geringen Menge Antiprotonen ist derzeit utopisch.

Siehe auch

  • Raketentriebwerk
  • Antriebsmethoden für die Raumfahrt
  • Liste der größten künstlichen, nichtnuklearen Explosionen

Literatur

Quellen

  1. ↑ Jared Ledgard: The Preparatory Manual of Black Powder and Pyrotechnics. V1.4, Jared Ledgard 2007, 978-0-6151-7427-3, S. 39, 51–52, 73, 77, 540, 549.
  2. ↑ Thieme Chemistry (Hrsg.): Eintrag zu Raketentreibstoffe im Römpp Online. Version 3.29. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2012, abgerufen am 6. Februar 2012.
  3. ↑ NASA: PROPELLANTS
  4. ↑ Horst W. Köhler: Klipp und Klar: 100x Raumfahrt, Bibliographisches Institut, Mannheim, Wien, Zürich 1977, ISBN 3-411-01707-4, S. 30
  5. ↑ Boeing-Papier über zukünftige Treibstoffe

Weblinks

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