AhA: Warum bestehen Raketen aus mehreren Stufen?

Manchmal geht ein Luftballon ab wie eine Rakete. Aufpusten, loslassen – und schon fliegt er davon. Die ausströmende Luft treibt ihn vorwärts. Dem Newton’schen Gesetz „actio gleich reactio“ gemäß, ist die Kraft umso größer, je mehr Luft aus der Öffnung tritt und je schneller die Luftmoleküle sind. Alle Weltraumraketen basieren auf diesem Rückstoßprinzip: Entscheidend ist, was hinten rauskommt.

Die Wahl des Treibstoffs spielt daher eine wesentliche Rolle. Besonders effektiv ist es, Sauerstoff und Wasserstoff in einer Brennkammer zusammenzubringen, in der sie heftig miteinander reagieren und ein heißes, rasch expandierendes Gas erzeugen. Das geschieht zum Beispiel im Vulkan-Triebwerk der europäischen Ariane-V-Rakete. Um die Anziehungskraft der Erde zu überwinden, braucht eine solche Rakete allerdings sehr viel Treibstoff.

„Eine Rakete besteht aus Treibstoff, aus Strukturen wie zum Beispiel Tanks, Treibstoffleitungen, Ventilen und so weiter – und der Nutzlast“, sagt Michael Oschwald, Leiter der Abteilung Raketenantriebe am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Lampoldshausen. „Bei der Ariane-V-Rakete macht der Treibstoff 89 Prozent der Startmasse aus, zehn Prozent entfallen auf die Strukturmasse.“ Die eigentliche Nutzlast, die ins All befördert wird, fällt mit nur einem Prozent ins Gewicht.

An der Schwelle zum 20. Jahrhundert kam der russische Raketenpionier Konstantin Ziolkowski darauf, wie die zu beschleunigende Gesamtmasse der Rakete möglichst klein gehalten werden kann: indem man sie aus mehreren Antriebsstufen zusammensetzt, die abgetrennt werden, sobald sie ihren Brennstoffvorrat verbraucht haben. Die berühmte Mondrakete der Amerikaner, die Saturn-V, bestand aus drei solchen Stufen. Beim Start saßen die Astronauten in der Spitze eines 110 Meter hohen Kolosses.

„Man möchte möglichst wenig nutzlose Masse beschleunigen“, sagt Oschwald. „Deshalb wirft man die Tanks nacheinander ab.“ Bei der modernen Ariane-V-Rakete sind das zunächst zwei seitlich angebrachte Feststoffbooster, die die Rakete beim Start auf Touren bringen. Das Haupttriebwerk wird mit besagter Mischung aus Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff gezündet. Zuletzt kommt die Oberstufe zum Einsatz – entweder mit derselben Mischung oder einem anderen Treibstoff. Ein enormer technischer Aufwand, um die Anziehungskraft der Erde zu überwinden. Thomas de Padova