Wasser als Treibstoff

Wenn man an Treibstoffe denkt, dann nicht unbedingt an Wasser. Das ist logisch. Bisherige chemische Treibstoffe müssen miteinander reagieren und Wasser ist ziemlich reaktionsträge, wenn man nicht als Partner Substanzen wie Alkalimetalle oder Halogene wählt. Als Arbeitsgas für elektrostatische Ionentriebwerke ist es auch nicht gut geeignet, weil seine Molekularmasse gering ist. Doch es hat einige Eigenschaften, die es interessant machen: es ist gut lagerbar, nicht korrosiv, über einen großen Temperaturbereich flüssig, kann leicht verdampft werden und es kann durch Elektrolyse in seine Elemente aufgespalten werden. Während das Verdampfen bei vielen Stoffen möglich ist, ist die Elektrolyse nicht mit vielen anderen Flüssigkeiten möglich. Es ergeben sich drei Anwendungsgebiete an denen auch Firmen derzeit forschen:

Als Kaltgas / Heißgas-Antrieb

Ist der Antriebsbedarf gering, so kann man anstatt einem chemischen Antrieb einfach auch Gas einsetzen. Selbst wenn es nur einen geringen Druck hat, so expandiert es doch ins Vakuum und gibt so einen Schub ab. Alle US-Raumsonden benutzten bis Viking Druckgas zur Lageregelung. Selbst die Raumstation Skylab nutzte das Gas. Dazu wurde meist Stickstoff in einer Druckgasflasche eingesetzt. Wasser kann man in einem Tank als Flüssigkeit mitführen, das spart eine Menge Gewicht, denn bei Druckgasflaschen wiegt diese selbst bei der leichtesten Technologie (Kohlefaserverbundwerkstoffe) fast die Hälfte des Inhalts. Das Wasser wird dagegen flüssig mitgeführt. Man kann es nun entweder direkt in einer Düse versprühen, wobei es zum Teil in Eis übergeht und zum Teil in Wasserdampf, der dann einen Impuls überträgt oder man erhitzt es in der Düse, sodass gleich Wasserdampf entsteht. Entsprechend hat man dann einen Kaltgas- oder Heißgasantrieb. Da der Impuls trotzdem bescheiden ist, er hängt vom Druck ab, den man erreicht, ist das Antriebsvermögen bescheiden. Doch es ist wegen der Gewichtsersparnis eine Alternative für leichte und kleine Satelliten, die sowieso nicht lange arbeiten sollen. Bei längeren Missionen kam man wegen der begrenzten Antriebskapazität auch ab von Druckgasen. Die Missionen von Mariner 9, 10 und der beiden Viking Orbiter wurden jeweils von dem Druckgas limitiert. Nach Verbrauchen des Gases wurden die Sonden abgeschaltet.

Die Technologie eignet sich für Lageänderungen, aber nicht Kurskorrekturen. Ganz neu ist der Einsatz nicht. Schon in den Siebzigern nutzte man auf Raketenschlitten Heißwasserdampf in Druckbehältern, um den Schlitten mit einer Nutzlast schnell auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Als Arbeitsmedium für Plasmatriebwerke

Eine eher selten eingesetzte Form von Ionentriebwerke sind die Plasmatriebwerke oder Lichtbogentriebwerke. Bei ihnen wird ein Arbeitsmedium durch einen Lichtbogen auf hohe Temperatur erhitzt und dabei ein Plasma gebildet. Aerojet hat solche Antriebe im Angebot, ansonsten kenne ich sie aber vor allem von russischen Satelliten und Sonden. Vergleichen mit dem elektrostatischen Antrieb (dem eigentlichen Ionenantrieb) haben Plasmatriebwerke einige Nachteile, wie geringer spezifischer Impuls und niedriger Wirkungsgrad und vor allem eine kurze Lebensdauer, weil das Plasma die Elektroden angreift. Sie liegt trotzdem bei rund 1000 Stunden und als Vorteil haben solche Antriebe einen vergleichsweise hohen Schub. Als Treibstoff für Plasmatriebwerke nimmt man normalerweise eine Substanz, die viel Wasserstoff enthält, da sie bei den Temperaturen in ihre Elemente zerfällt. Reiner Wasserstoff wäre ideal, aber als Druckgas haben die Tanks ein so hohes Leergewicht, das sich das meist nicht lohnt. Wasser hat einen geringeren Anteil an Wasserstoff als andere Arbeitsmedien wie Ammoniak und Methan, ist aber leichter lagerbar. Als Nachteil wird die Erosion der Elektroden durch den radikalischen Sauerstoff stärker sein, doch wenn das Triebwerk nicht für den Antrieb, sondern für die Lageregelung verwendet wird,mit begrenzter Betriebsdauer, dann ist es eine Alternative.

Als chemischer Treibstoff

Die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff ist die energiereichste Reaktion die man heute nutzt. Es gab im EADS Portfolio auch ein vom Ottobrunn Forschungszentrum entwickeltes 300 N Triebwerk das LOX/LH2 als Treibstoffe nutzt. Leider scheint es nicht mehr im aktuellen Programm enthalten zu sein. Im Prinzip könnte man Wasser das man relativ einfach in einem Tank mitführen kann durch Elektrolyse in seine Bestandteile aufspalten und diese in einer Düse dann wieder verbrennen. In der einfachsten Form wäre das ein Triebwerk mit niedrigem aber kontinuierlichen Schub – die Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von 40 bis 70 %. Nimmt man 55 % als Mittel, so kann man mit 1 kW elektrischer Leistung pro Sekunde 3,7 g Wasser in seine Elemente spalten. Die dann je nach erreichter Ausströmgeschwindigkeit einen Schub von etwa 15 N generieren.

Für einen größeren Schub wie man ihn z.B. bei einem Apogäumantrieb benötigt würde man zuerst Wasser elektrolytisch spalten, die Gase aber dann in zwei Tanks speichern. Gängige Drucktanks für NTO/MMH sind für 20 Bar Betriebsdruck ausgelegt. Zwei 1000 l Tanks würden so 16 kg Wasser, aufgespalten in die Elemente, aufnehmen. Bei einem geostationären Übergangsorbit hat man 10 Stunden Zeit diese Menge zu erzeugen, das erfordert nur eine Leistung von 120 Watt. Selbst bei einem Bar Druck kommt man so auf einen spezifischen Impuls von 4195 m/s, wenn man eine lange Expansionsdüse wie die eines 400-N-Satellitenantriebs nimmt. Bei 20 Bar Druck sind es sogar 4377 m/s. So könnte man viel chemischen Treibstoff sparen. Als Nachteil würde das Erreichen eines Orbits relativ lange dauern. Bei 4200 m/s spezifischem Impuls wäre der Impuls 67.200 N beim ersten Orbit, dann aber wegen der steigenden Umlaufszeit ansteigend. Da man im Prinzip die Apparatur dauernd laufen lassen kann – der Zeitraum, in dem das Triebwerk aktiv ist, beträgt ja nur einige Minuten pro Umlauf. Das Limitierende ist die Tankgröße, die wegen dem Zusatzgewicht und Volumen nicht zu groß sein kann. Zwei 1000 l Tanks würden bei NTO/MMH immerhin über 2000 kg Treibstoff aufnehmen. Immerhin, ein anfangs 4 t schwerer Satellit wäre nach 32 Tagen im geostationären Orbit (Ausgangsbahn mit 1500 m/s Geschwindigkeitsdifferenz) angekommen. Er hätte 1.200 kg Treibstoff verbraucht, beim chemischen Antrieb mit NTO/MMH wäre es 1502 kg gewesen. Der Vorteil setzt sich dann noch fort, weil auch die Lageregelung Treibstoff verbraucht. Dazu käme, dass man die Druckbeaufschlagung einsparen kann.

Allerdings ist der Gewichtsspareffekt, verglichen mit einem Ionenantrieb, doch bescheiden und richtig schnell geht es mit Tanks, deren Gewicht tolerierbar ist, nicht. Nur für die Lageregelung würde man aber kein solches System bei einem großen Satelliten nicht installieren, wenn man ein zweites System für den Antrieb hat. So wird es wohl beim in-situ-Erzeugen bleiben. Ich denke auch die schon entwickelten 300-N-Triebwerke, die LOX/LH2 verbrennen, von EADS/Airbus sind nicht für Satelliten, sondern Raketenstufen gedacht. Damit kann die Rollachsenkontrolle durchgeführt werden und für die braucht man wenig Schub. Der Wasserstoff und Sauerstoff kann aus den Tanks kommen.

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