Wie beschleunigt eine Rakete im Weltall?

Raumfahrtantrieb: Beschleunigung im luftleeren Raum

Im Gegensatz zu Flugzeugen, die sich durch den Luftwiderstand abstützen, benötigt eine Rakete im Vakuum des Weltraums ein anderes Prinzip zur Beschleunigung. Hier kommt der Rückstoß ins Spiel, der sich direkt aus dem fundamentalen physikalischen Gesetz der Impulserhaltung ableitet.

Vereinfacht ausgedrückt besagt die Impulserhaltung, dass der Gesamtimpuls eines abgeschlossenen Systems konstant bleibt. Ein abgeschlossenes System im Kontext der Raumfahrt ist die Rakete inklusive ihres Treibstoffs. Wird Treibstoff mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen (Abgas), erzeugt dies einen Impuls in Richtung des Ausstoßes. Um den Gesamtimpuls des Systems konstant zu halten, muss die Rakete einen gleich großen, aber entgegengesetzten Impuls erfahren – sie wird beschleunigt.

Dies mag auf den ersten Blick paradox erscheinen: Wie kann die Ausstoßung von Materie zu einer Beschleunigung führen? Der Schlüssel liegt in der Differenz der Geschwindigkeiten. Der ausgestoßene Treibstoff besitzt nach der Verbrennung eine deutlich höhere Geschwindigkeit als die Rakete selbst. Die große Masse des Treibstoffs multipliziert mit seiner hohen Austrittsgeschwindigkeit resultiert in einem erheblichen Impuls. Dieser Impuls wird, gemäß dem Impulserhaltungssatz, vollständig auf die Rakete übertragen, wodurch diese beschleunigt wird.

Die Effizienz dieses Prozesses wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

• Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs: Je höher die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Treibstoffs, desto größer der Impulsübertrag und die Beschleunigung der Rakete. Moderne Raketenmotoren optimieren daher die Verbrennungsprozesse, um maximale Ausströmgeschwindigkeiten zu erreichen.
• Treibstoffmasse: Eine größere Treibstoffmenge ermöglicht eine längere Beschleunigungsphase und somit eine höhere Endgeschwindigkeit. Dies erklärt die enorme Größe der Trägerraketen für schwere Lasten.
• Motorenschaltung: Die Steuerung des Triebwerks, insbesondere bei mehrstufigen Raketen, ist entscheidend. Die einzelnen Stufen werden zu optimalen Zeitpunkten gezündet und abgetrennt, um den Treibstoff effizient zu nutzen und die maximale Geschwindigkeit zu erreichen.

Im Vakuum des Weltraums, frei von Reibungseffekten der Atmosphäre, kann die Rakete ihre Beschleunigung kontinuierlich aufrechterhalten, solange Treibstoff vorhanden ist. Dies im Gegensatz zu Flugzeugen, die aufgrund des Luftwiderstands eine Geschwindigkeitsgrenze erreichen. Die Beschleunigung im Weltraum ist ein kontinuierlicher Prozess, der durch die gezielte und kontrollierte Ausstoßung von Treibstoffmassen ermöglicht wird – ein Paradebeispiel für die elegante Anwendung fundamentaler physikalischer Prinzipien in der Technologie.