Eine – wie ich finde – der besten Sektionen auf meiner Website sind die „Grundlagen der Raumfahrt“, die ich jedem empfehlen kann. In dem Bestreben, dass ich dort mein Wissen unterbringe, ist sie aber auch recht umfangreich und komplex geworden. Daher starte ich ab jetzt mit einer lockeren Reihe von Beiträgen in einer neuen Kategorie mit (hoffentlich) deutlich kleinerem Einstiegsniveau. Ich fange an mit dem Thema, wo ich von Berufs wegen am meisten verstehe und das auch mein größtes Interesse hat: Raketentreibstoffe.
Da fange ich schon mal mit den Begriffen an. Als Chemiker unterscheide ich zwischen Oxidatoren und Verbrennungsträgern, aber im allgemeinen Sprachgebrauch wird beides als Treibstoff bezeichnet, auch wenn das eigentlich nur eine der beiden Komponenten (der Verbrennungsträger) ist. So wollen wir es auch hier halten.
Ein Raketentreibstoff verbrennt, erzeugt dabei heißes Gas, das durch eine Düse expandiert wird und dabei Schub auf die Rakete überträgt. Ein guter Raketentreibstoff erzeugt also möglichst viel Schub pro Kilogramm Masse. Doch was ist ein guter Treibstoff? Da brauchen wir einige Grundlagen aus der Chemie.
Im Periodensystem werden die Elemente nach der Zahl der Außenelektronen geordnet. In der Hauptgruppe (alle Elemente von Raketentreibstoffen sind Hauptgruppenelemente) sind dies von links nach rechts die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Bor-Gruppe, Kohlenstoff-Silizium-Gruppe, Stickstoff-Phosphor-Gruppe, Chalkogene, Halogene und Edelgase.
In jeder Periode (eine Zeile im Periodensystem von links nach rechts) kommt pro Gruppe (eine Spalte) ein Elektron in die äußerste Schale hinzu. Alkalimetalle haben also ein Elektron und Edelgase acht. Alle Elemente wollen diese Konfiguration der Edelgase erreichen (Edelgaskonfiguration). Dazu können sie Elektronen abgeben, aufnehmen oder teilen.
Elemente links geben bevorzugt Elektronen ab, Elemente rechts nehmen gerne Elektronen auf. Die Energie, die pro Bindung frei wird, ist umso größer, je weiter die Elemente in der Horizontalen entfernt sind. Hier eine Tabelle der Energien der zweiten Periode mit Wasserstoff.
| Hydrid | ΔHf° (kJ/mol) | M (kg/mol) | ΔHf° (MJ/kg) |
|---|---|---|---|
| LiH | −90.4 | 0.00795 | −11.4 |
| BeH₂ | –125,5 | 0,001103 | –11,4 |
|
B2H6 |
–31,4 | 0,00276 | –1,135 |
| CH₄ | −74.87 | 0.01604 | −4.67 |
| NH₃ | −45.9 | 0.01703 | −2.69 |
| H₂O (l) | −285.83 | 0.01802 | −15.86 |
| HF (g) | −273.3 | 0.02001 | −13.66 |
Die Energie pro Mol gibt an, wie viel Energie pro Mol frei wird. Da die Elemente aber unterschiedlich schwer sind (es kommt im Mittel pro Gruppe ein Neutron und Proton im Kern hinzu), ist die Energie pro Kilogramm davon deutlich abweichend. Man sieht, dass die drei Elemente Bor, Kohlenstoff und Stickstoff trotz drei bis vier Bindungen pro Molekül (HF und LiH haben nur eine Bindung) deutlich weniger Energie pro Kilogramm bei der Bildung liefern. Man sieht dies auch bei den Reaktionen. Wasser, Flusssäure, Lithium- und Berylliumhydrid bilden sich spontan oder bei geringer Aktivierungsenergie. Ammoniak (NH₃) entsteht nur bei hohem Druck, Katalysatoren und Temperatur aus den Elementen. Für seine Synthese gab es einen Nobelpreis für die Entdecker Haber und Bosch.
Für andere Perioden sieht es ähnlich aus. Es gibt aber einen Unterschied: Da nur die Außenelektronen reagieren, ist die Energie pro Mol vergleichbar, aber die Atommasse nimmt mit jeder Periode zu. Das letzte, nicht radioaktive Element der ersten Periode, ist Cäsium. Seine Masse beträgt 132,91 g/mol (Lithium: 6,9). Bei der Reaktion mit Wasserstoff werden −54,2 kJ/mol frei, das sind pro Kilogramm dann nur noch −0,405 MJ/kg, also nur noch 3,6 % der Energie der Reaktion des ersten Elements der Alkaligruppe mit Wasserstoff.
Damit haben wir die erste Erkenntnis: Ein guter Raketentreibstoff setzt möglichst Elemente der zweiten und ersten Periode (dort ist es nur Wasserstoff) ein und zwar möglichst als Verbrennungsträger die Elemente ganz links und als Oxidatoren die Elemente ganz rechts. Der beste Raketentreibstoff wäre so die Umsetzung von Wasserstoff oder Lithium mit Fluor.
Meist nutzt man aber nicht die Elemente, sondern Verbindungen wie Kohlenwasserstoffe (Methan, Kerosin), Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen (Hydrazine), Stickoxide (NTO) oder Ammoniumperchlorat. Dabei ist es ganz einfach: Wenn diese Substanzen stabil sind, dann enthalten sie weniger Energie als die Verbindungen, aus denen sie entstanden. Würden sie mehr Energie als die Elemente aus denen sie entstanden freisetzen (der Chemiker spricht von einer exothermen Reaktion), so wären sie nicht stabil. Es gibt zwei semi-stabile Verbindungen, die zumindest theoretisch in Frage kommen: Wasserstoffperoxid und Ozon. Beide geben unter Energieabgabe ein Sauerstoffatom ab und daraus entstehen dann stabile Verbindungen (Wasser und Sauerstoff).
Damit haben wir eine Frage geklärt: Welche Elemente und Verbindungen eignen sich besonders gut als Raketentreibstoff. Aber die freigesetzte Energie ist nur ein Teilaspekt. Jetzt wechseln wir von der Chemie zur Physik. In einem Raketentriebwerk verbrennen die Treibstoffe und erzeugen dabei hohe Temperaturen, die über 3000 °C liegen können. Sie expandieren dann durch eine Düse, entspannen sich und kühlen ab, und dabei übertragen sie über die Düsenwand Energie auf die Rakete – sie fliegt in die Gegenrichtung des Gasstrahls weg.
Eine wichtige Größe, die direkt in die Raketengrundgleichung zur Berechnung der Geschwindigkeit einer Rakete eingeht, ist daher die Ausströmgeschwindigkeit am Düsenende, „spezifischer Impuls“ genannt. In den USA, wo sie nicht das metrische System einsetzen, teilt man den SI-Wert noch durch die Erdbeschleunigung. In beiden Fällen erhält man aber eine Einheit, die kein Impuls im physikalischen Sinn ist. Der hat die Einheit Kilogramm mal Meter pro Sekunde (kg·m/s). Der spezifische Impuls ist im SI-System eine Geschwindigkeit (Meter pro Sekunde (m/s)) und im US-System eine Zeit (Sekunde, s).
Der spezifische Impuls bzw. die Ausströmgeschwindigkeit hängt zwar von der Energie, die die Reaktion liefert, ab, aber nicht nur. Man kann das Verbrennungsgas als ideales Gas modellieren und da verteilt sich die Energie auf die Gasmoleküle. Deren Masse hängt von den Elementen ab. Verteilt man die Energie pro Kilogramm Gas auf mehr Moleküle, weil die Molekülmasse kleiner ist, so hat jedes weniger Energie und kann weniger Energie auf die Rakete übertragen, denn alle Moleküle verlieren beim Entspannen Energie, was man an der absinkenden Temperatur sieht. Das heißt: Je kleiner die mittlere Molekülmasse ist, desto höher ist die Ausströmgeschwindigkeit der Gase.
Daher ist nun auch klar, warum von allen eingesetzten Kombinationen die von Wasserstoff/Sauerstoff die höchste Ausströmgeschwindigkeit und damit die höchsten spezifischen Impulse hat: Das Verbrennungsprodukt Wasser hat die Atommasse 18. Bei Methan als bestem Kohlenwasserstoff werden pro Reaktionsgleichung dagegen zwei Moleküle Wasser und ein Molekül Kohlendioxid gebildet – das hat Atommasse 44, was die mittlere Atommasse auf 26,7 anhebt. Bei Methan beträgt das Verhältnis C:4 genau 4, bei Kerosin liegt es eher bei 1:3,4 und aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol kommen nur auf 1:1. Dieser höhere Wasserstoffanteil ist der Hauptgrund für die rund 20 % höhere Ausströmgeschwindigkeit von Methan im Vergleich zu Kerosin.
Bisher habe ich vor allem von flüssigen Treibstoffen gesprochen aus einem einfachen Grund – bei denen entstehen bei der Verbrennung nur Gase. Bei LOX/LH₂ ist es Wasserdampf, bei Kohlenwasserstoffen kommt noch Kohlendioxid hinzu und bei Hydrazinen Stickstoff. Bei festen Treibstoffen bilden sich als Verbrennungsprodukte aber noch Feststoffe. Die gängige Kombination Aluminium/Ammoniumperchlorat bildet (wenn man den Binder, ein Harz, weglässt) Aluminiumoxid, Salzsäure und Stickstoff. Die Salzsäure ist auch ein Gas (die Salzsäure, die ihr kaufen könnt, ist chemisch nur in Wasser gelöstes Gas), aber Aluminiumoxid ist ein hochschmelzendes Mineral, das bei etwa 2060 °C schmilzt und bei 2980 °C siedet. Als Mineral findet man es in reiner Form z. B. als Korund, dem nach dem Diamant härtesten Mineral, das deswegen auch als Schleifmittel genutzt wird.
Sobald die Temperatur 2000 Grad unterschreitet, wird Aluminiumoxid fest. Damit fällt es aus dem Gleichgewicht der Gase aus und es überträgt keine Energie mehr auf die Düse. Das ist der Hauptgrund, warum feste Treibstoffe so viel geringere spezifische Impulse als flüssige Treibstoffe haben und diese auch nicht durch eine besonders lange Düse wesentlich gesteigert werden können.
Zuletzt noch ein kleiner Abstecher zu einzelnen Treibstoffen:
Wasserstoff ist wegen seiner geringen Molekülmasse der optimale Verbrennungsträger, egal mit welchem Oxidator er umgesetzt wird. Zudem liefert seine Verbrennung auch viel Energie (mit Sauerstoff 15,8 MJ/kg). Seine Dichte im flüssigen Zustand beträgt aber nur 0,0684 kg/l. Die Tanks sind daher sehr groß und wiegen viel.
Sauerstoff ist der beste praktisch nutzbare Oxidator. In der Theorie ist Fluor noch besser, aber es ist sehr aggressiv. Vor allem gibt es keine Anlagen, um flüssiges Fluor in größeren Mengen herzustellen (in der chemischen Industrie wird Gas genutzt), und die meisten Fluorverbindungen sind schädlich für die Umwelt.
Bei Kohlenwasserstoffen ist es meist egal, welche Verbindung man nutzt, nur Methan ist etwas besser als die höheren Kohlenwasserstoffe.
Hydrazine wurden nur eingesetzt, weil sie mit Stickstofftetroxid bei Kontakt zünden und sie lagerfähig auch bei tiefen Temperaturen sind. Das war für schnell startende ICBM wichtig. Heute werden sie für Satellitenantriebe genutzt, ihre Herstellung ist aber sehr teuer und sie sind im spezifischen Impuls LOX/Kerosin unterlegen.
Der gleiche Grund führte zum Einsatz von Stickstofftetroxid als Oxidator. Chemisch ist dies Salpetersäure, der man das Wasser entzogen hat. Unterhalb 28 Grad Celsius ist der Oxidator flüssig.
Feste Treibstoffe nutzen Aluminium als Verbrennungsträger und Ammoniumperchlorat als Oxidator. Damit sie kontrolliert und nicht explosionsartig verbrennen, werden sie in ein Harz eingerührt, das nach Zugabe eines Starters polymerisiert, heute ist dies hydroxyterminiertes Polybutadien (HTPB).
So, das war Teil eins. Über Rückmeldungen würde ich mich freuen. Macht die Reihe Sinn? Ist es zu kompliziert (zu einfach wohl eher nicht, wem es zu einfach ist, der geht einfach zu dem dreiteiligen Artikel auf den Grundlagen …). Ich frage auch deswegen, weil ich merke, dass ihr eure Infos über Videos bekommt anstatt zu lesen. Ich habe einige Folgen von „Ready for Liftoff“ angehört. Das ist immerhin der offizielle Raumfahrtpodcast bei ARD Sounds. Ich war schockiert. Neben dämlichen Vergleichen wie den Apollo Guidance Computer mit einem heutigen Smartphone zu vergleichen (schon deswegen sinnlos, weil es damals nicht existierte, man vergleicht ja auch nicht die Reisezeit in Pferdekutschen mit der einer Boeing 7070, zwischen beiden liegt genau dieselbe Zeitspanne wie zwischen AGC und heute) liegt der Fokus auf Dingen, die völlig unwichtig sind. Bei Voyager auf der Golden Record und dem Familienporträt bei Jupiterraumsonden auf Mission-Patches und Lego Figuren. Früher galt „Wissen plus Begeisterung“, heute scheint mir eher gegeben, je mehr Begeisterung um so weniger Wissen ist vorhanden (die Moderatoren haben schon Probleme sich die vier großen Jupitermonde zu merken). Auf dieses Niveau kann ich leider nicht sinken, wenn euch also dieser Artikel schon überfordert brauche ich keine Reihe draus machen.