Wie funktioniert Raketenantrieb im All?

Raketenantrieb im All: Schub im Vakuum

Raketen, die imposanten Geschosse unserer Raumfahrt, funktionieren nach einem Prinzip, das so einfach wie genial ist: Actio et reactio, die Wechselwirkung von Aktion und Reaktion. Im Gegensatz zu Flugzeugen, die sich im Luftmeer abstützen, benötigen Raketen keinen externen Luftwiderstand – im Gegenteil, die Abwesenheit von Luft ist sogar von Vorteil. Der Schub entsteht rein durch das Ausstoßen von Masse mit hoher Geschwindigkeit. Aber wie genau funktioniert das im nahezu perfekten Vakuum des Weltalls?

Der Schlüssel zum Verständnis liegt im Impulserhaltungssatz. Dieser besagt, dass der Gesamtimpuls eines abgeschlossenen Systems konstant bleibt. Eine Rakete, Treibstoff inklusive, bildet ein solches System. Wird nun Treibstoff im Raketenmotor verbrannt, entstehen heiße Gase unter extrem hohem Druck. Diese Gase werden durch eine Düse mit speziell geformten Wänden beschleunigt, wodurch sie eine hohe Geschwindigkeit erreichen. Der Impuls dieser ausgestoßenen Gase ist enorm. Da der Gesamtimpuls erhalten bleiben muss, erhält die Rakete einen gleich großen, aber entgegengerichteten Impuls – den Schub.

Diese Aussage mag simpel erscheinen, doch die Komplexität liegt im Detail:

• Treibstoff: Die Wahl des Treibstoffs ist entscheidend für die erreichbare Schubkraft und den spezifischen Impuls (Impuls pro Treibstoffmasse). Flüssige Treibstoffe, wie z.B. Kerosin und flüssiger Sauerstoff, sind weit verbreitet, aber auch feste Treibstoffe oder neuere Konzepte wie Ionentriebwerke finden Anwendung. Die Zusammensetzung des Treibstoffs beeinflusst die Verbrennungstemperatur und den Druck im Brennraum, welche wiederum die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Gase bestimmen.

• Brennkammer: Hier findet die kontrollierte Verbrennung des Treibstoffs statt. Die Konstruktion der Brennkammer ist komplex und muss extremen Temperaturen und Drücken standhalten. Die präzise Mischung und Zündung des Treibstoffs sind entscheidend für eine effiziente und stabile Verbrennung.

• Düsengeometrie: Die Form der Düse beeinflusst die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Gase und damit die Schubkraft. Eine optimal gestaltete Düse konvergiert zunächst und divergiert dann, um die Gase optimal zu beschleunigen und den Druck an die Umgebung anzupassen. Diese optimale Form variiert je nach Höhe und Luftdruck.

• Steuerdüsen: Um die Richtung der Rakete zu kontrollieren, werden oft kleine Steuerdüsen verwendet, die ebenfalls Treibstoff ausstoßen und so kleine Schubkräfte erzeugen, die die Lage der Rakete im Raum beeinflussen. Dies ist besonders wichtig für die Manövrierfähigkeit während des Fluges.

Im Vakuum des Weltraums ist die Effizienz des Raketenantriebs sogar höher als in der Atmosphäre, da es keinen Luftwiderstand gibt, der die Ausströmgeschwindigkeit der Gase behindert. Die einzige Beschränkung ist die verfügbare Treibstoffmenge. Deshalb konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung von Treibstoffen mit höherem spezifischem Impuls, um größere Geschwindigkeiten und Reichweiten zu ermöglichen. Die Faszination des Raketenantriebs liegt nicht nur in seiner technischen Brillanz, sondern auch in seinem Potenzial, uns die Weiten des Kosmos zu erschließen.