Wie funktionieren Raketenantriebe? Verbrennung, Oxidator, Fest- und Flüssigtreibstoff

Wir nutzen Raketen, um uns an die Grenzen der menschlichen Erforschung zu bringen und die Technologie zu platzieren, die weit entfernte Individuen verbindet und es uns ermöglicht, einige unserer komplexesten Technologien zu schaffen und umzusetzen. Doch von allen Antrieben, die uns und unsere Systeme bewegen, ist der Raketenantrieb wahrscheinlich der einfachste.

Verbrennung

Wenn Brennstoff verbrennt, verbindet er sich mit Sauerstoff zu leichteren Gasen und Wärme. Das nennt man Verbrennung. Die Gase dehnen sich rasch aus, da sie viel weniger dicht sind als der Brennstoff selbst. Wenn das Schwarzpulver in einem Knallkörper verbrennt, haben die expandierenden Gase keinen Ausweg, so dass der plötzliche Druckanstieg die Hülle des Knallkörpers zerreißt. 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. Es drückt auch die Waffe vom Ort der Verbrennung weg, was den Rückstoß beim Schießen verursacht. Verbrennungsmotoren verbrennen Brennstoffe, um Bewegung zu erzeugen, aber während Gasmotoren diese Verbrennung nutzen, um komplexe Maschinen zu bewegen, nutzen Raketen ihre Kraft direkt. In einem Raketentriebwerk, wie bei einem Geschoss, wird die durch die Verbrennung der Treibstoffe erzeugte Kraft in eine Richtung fokussiert; bei einer Waffe auf die Mündung, bei einem Raketentriebwerk auf die Öffnung am Boden der Rakete. Anstatt die Verbrennung zu nutzen, um ein Projektil 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 im Inneren eines Raketentriebwerks vorhandene Sauerstoff wird während der Verbrennung schnell verbraucht. Raketentriebwerke nutzen Oxidatoren, Substanzen, die beim Verbrennen des Brennstoffs Sauerstoff freisetzen, um eine konstante Sauerstoffquelle bereitzustellen. Die beiden Haupttypen von Brennstoffen im Raketentreibstoff sind fest und flüssig.

Festtreibstoff

Festtreibstoffe sind leicht und bei Raumtemperatur stabil. Sie sind mit einem hohlen Kern konstruiert, der den expandierenden Gasen beim Verbrennen des Brennstoffs Entweichen ermöglicht. Der Oxidator ist in die Treibstoffmischung eingearbeitet. Festbrennstoffe können nicht gestoppt werden, einmal gezündet. Diese Triebwerke brennen, bis ihr Brennstoff aufgebraucht ist. Die beiden festen Raketenbooster an den Seiten des externen Tanks des Space Shuttles liefern den Hauptschub beim Start. Aufgrund ihrer Stabilität und Einfachheit werden Festtreibstoffe auch in kommerziellen Modellraketen verwendet.

Flüssigtreibstoff

Bei einer Rakete, die Flüssigtreibstoffe nutzt, werden Brennstoff und Oxidator in separaten Tanks gelagert. Die beiden Flüssigkeiten werden gemischt, oft gemeinsam in die Brennkammer gespritzt, und entzünden sich entweder bei Kontakt oder durch eine externe Zündquelle, je nach Treibstofftyp. Diese Brennstoffe sind weniger stabil als Festbrennstoffe – flüssiger Sauerstoff, ein häufiger Oxidator, muss bei sehr niedriger Temperatur gehalten werden, um flüssig zu bleiben. Die Verbrennung von Flüssigtreibstoff kann jedoch angepasst oder sogar gestoppt werden, bevor der Brennstoff aufgebraucht ist. Der große externe Tank, an den der Space Shuttle beim Start angekoppelt ist, trägt den Flüssigtreibstoff, den der Shuttle beim Start verwendet.