Was treibt Raketen an?

Wir nutzen Raketen, um die Grenzen der menschlichen Erforschung zu erreichen und Technologie zu platzieren, die weit entfernte Menschen verbindet und es uns ermöglicht, einige unserer komplexesten Technologien zu entwickeln und einzusetzen. Doch von allen Antrieben, die uns und unsere Systeme bewegen, ist das Raketentriebwerk vermutlich das einfachste.

Verbrennung

Wenn Brennstoff verbrennt, verbindet er sich mit Sauerstoff zu leichteren Gasen und Wärme. Dies nennt man Verbrennung. Die Gase dehnen sich rasant aus, da sie viel weniger dicht sind als der Brennstoff selbst. Wenn das Schwarzpulver in einem Knallkörper verbrennt, haben die expandierenden Gase nirgendwo hin, sodass der plötzliche Druckanstieg die Hülle zerstört. Die schwache Dichtung zwischen Hülse und Geschoss in einer Patrone lässt die expandierenden Gase das Geschoss von der Hülse weg und aus dem Lauf drücken. Gleichzeitig wird die Waffe vom Verbrennungsort weggedrückt – der Rückstoß beim Schießen. Verbrennungsmotoren verbrennen Brennstoffe, um Bewegung zu erzeugen, aber während Gasmotoren diese Verbrennung nutzen, um komplexe Mechanik zu bewegen, nutzen Raketen ihre Kraft direkt. In einem Raketentriebwerk, wie bei einem Geschoss, wird die durch Verbrennung erzeugte Kraft in eine Richtung fokussiert: beim Gewehr zum Laufende, bei der Rakete zur Öffnung am Boden. Anstatt die Verbrennung zu nutzen, um ein Geschoss von den expandierenden Gasen wegzudrücken, nutzt ein Raketentriebwerk diese Kraft, um sich selbst von den expandierenden Gasen wegzubewegen – genau wie der Rückstoß eines Gewehrs.

Oxidator

Raketentreibstoff ist eine Kombination aus Brennstoff und Oxidator. Brennstoff benötigt Sauerstoff zum Verbrennen. Der in der Luft innerhalb eines Raketentriebwerks vorhandene Sauerstoff wird bei der Verbrennung schnell aufgebraucht. Raketentriebwerke nutzen Oxidatoren – Substanzen, die beim Verbrennen Sauerstoff freisetzen –, um eine konstante Sauerstoffquelle bereitzustellen. Die beiden Haupttreibstoffarten sind fest und flüssig.

Fester Treibstoff

Feste Treibstoffe sind leicht und bei Raumtemperatur stabil. Sie haben einen hohlen Kern, der den expandierenden Gasen beim Verbrennen Entweichung ermöglicht. Der Oxidator ist in die Treibstoffmischung eingebunden. Einmal gezündet, können feste Brennstoffe nicht mehr gestoppt werden – sie brennen, bis der Treibstoff aufgebraucht ist. Die beiden festen Raketenbooster neben dem externen Tank des Space Shuttles lieferten den Hauptschub beim Start. Aufgrund ihrer Stabilität und Einfachheit werden feste Treibstoffe auch in kommerziellen Modellraketen verwendet.

Flüssiger Treibstoff

Bei Raketen mit flüssigem Treibstoff werden Brennstoff und Oxidator in separaten Tanks gelagert. Die beiden Flüssigkeiten werden zum Mischen zugelassen, oft gemeinsam in den Brennraum gespritzt, und zünden entweder bei Kontakt oder durch externe Zündung, je nach Treibstoffart. Diese Brennstoffe sind weniger stabil als feste – flüssiger Sauerstoff, ein gängiger Oxidator, muss bei sehr niedriger Temperatur gehalten werden, um flüssig zu bleiben. Die Verbrennung flüssigen Treibstoffs kann jedoch geregelt oder sogar vor vollständiger Erschöpfung gestoppt werden. Der große externe Tank, an den der Space Shuttle beim Start angebunden war, führte den flüssigen Treibstoff, den der Shuttle beim Start nutzte.