Raumfahrt: Ritt auf dem Feuerstrahl

Es ist stets aufs Neue aufregend: Eine Rakete startet ins All. Das Ungetüm spuckt Feuer und Rauch, erhebt sich langsam aus der turmähnlichen Konstruktion, die es gefangen hielt. Die Rakete steigt langsam hoch, wird schneller und donnert schließlich auf einem Flammenstrahl gen Himmel.

Im Antrieb verbrennen Feststoffe oder verflüssigte Gase, derzeit hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff. Doch neuerdings füllen Chemiker und Raumfahrtingenieure auch Methan in den Tank. Der am einfachsten gebaute Kohlenwasserstoff – am Kohlenstoffatom hängen vier Wasserstoffatome – ist einfach zu handhaben und bringt zudem viel Schwung.

Das kommt den Raketen zugute. Ihr Funktionsprinzip ist einfach: Wenn sie ihre Treibstoffe verbrennen, entsteht heißes Gas, das unter hohem Druck steht. Die Ingenieure lassen es durch eine Düse nach unten entweichen. Dort entsteht ein gebündelter Abgasstrahl, der die Rakete nach oben schiebt. Das dahintersteckende physikalische Prinzip heißt Impulserhaltung. Schleudere ich etwas Schweres fort, dann bewegt es sich mit einem bestimmten Impuls von mir weg. Mit exakt demselben Impuls setze auch ich mich in Bewegung – allerdings in die entgegengesetzte Richtung.

Raketen haben meist Feststoff- oder Flüssigkeitsantrieb. Bei dem Erstgenannten fackelt ein fester Stoff in einer Brennkammer ab und erzeugt so die gewünschten Abgase. Zu diesem Typ gehören zum Beispiel Silvesterraketen. Feststoffraketen haben den Vorteil, dass pro Zeiteinheit viel Treibstoff verbrennt, also auch viel Abgas entsteht – das Triebwerk entwickelt einen starken Schub. Außerdem braucht man keine komplizierten Pumpen oder Zuleitungen. Alles, was für die Verbrennung nötig ist, enthält der Treibstoff schon von sich aus.

Der Nachteil von Feststoffraketen ist, dass man sie nicht regeln kann. Einmal entzündet, flammt der Treibstoff in einem Rutsch ab; der Vorgang lässt sich nicht stoppen oder neu starten. Außerdem sind die Brennmittel relativ schwer. Deshalb setzt man Feststoffraketen in der Raumfahrt vor allem als „Booster“ ein – als schubstarke Hilfsantriebe beim Start.

Flüssigkeitsraketen funktionieren dagegen mit flüssigen Treibstoffen. Meist handelt es sich um verflüssigte Gase, die sehr reaktionsfreudig und aggressiv sind. Sie werden mit Pumpen aus den Treibstofftanks in die Brennkammer befördert, wo sie verbrennen und so die Abgase erzeugen.

Das große Plus an dieser Konstruktion: Die Pumpen können reguliert werden – und damit auch die Schubkraft. Zudem wird der Treibstoff besser ausgenutzt als bei Feststoffraketen. Der Nachteil ist jedoch, dass man für die verflüssigten Gase spezielle Tanks braucht: Diese müssen extrem gut wärmeisoliert und korrosionsfest sein. Außerdem sind spezielle Pumpen, Zuleitungen und Ventile notwendig. das macht die gesamte Konstruktion kompliziert und somit störanfällig.

Wegen ihrer Vorteile sind Flüssigkeitsraketen aber heute der vorherrschende Typ bei Weltraumraketen. Meist verwendet man zwei verschiedene Flüssigkeiten, die innerhalb der Rakete in getrennten Tanks gelagert werden. Um die Zündung einzuleiten, bringt man die beiden Substanzen in der Brennkammer zusammen, wo sie explosionsartig miteinander reagieren. Verbreitet sind Treibstoffgemische aus Kerosin und Sauerstoff oder aus Wasserstoff und Sauerstoff. Auch stickstoffhaltige Verbindungen eignen sich, etwa die Mischung aus Hydrazin und Stickstofftetroxid.

Neuerdings entwickeln die Ingenieure auch Raketentriebwerke für das Brenngemisch Methan und Sauerstoff. „Die Europäer zeigen Interesse dafür, die Amerikaner arbeiten bereits konkret daran“, sagt Michael Khan, Missionsanalytiker bei der europäischen Weltraumorganisation Esa. Die amerikanische Weltraumagentur Nasa experimentiert schon mit Methan-Antrieben. So haben Anfang 2007 Experten der Firmen Alliant Techsystems und XCOR Aerospace in der kalifornischen Mojave-Wüste Methan-Antriebe getestet.

Welche Vorteile bietet dieses Triebwerk? „Methan ist ein leistungsfähigerer Brennstoff als Kerosin oder Hydrazin“, erklärt Khan. Außerdem sei es nicht giftig und verbrenne zu unschädlichem Wasser und Kohlendioxid. Anders ist es bei der Kombination aus Hydrazin und Stickstofftetroxid. Beide Verbindungen sind giftig, so dass man beim Umgang mit diesen Stoffen, beim Lagern und Betanken etwa, sehr vorsichtig sein muss. Probleme kann es auch geben, wenn Tanks undicht werden. Auch bei Raketenexplosionen können große Mengen von giftigen Substanzen frei werden.

Bei Methan besteht diese Gefahr nicht. Zudem bietet dieser Brennstoff gegenüber Wasserstoff den Vorteil, dass er besser flüssig gehalten werden kann. Methan ist ab minus 162 Grad Celsius flüssig, Wasserstoff dagegen erst ab minus 253 Grad. „Eine Methanrakete kommt mit einer wesentlich einfacheren Kühlung und Isolierung aus als eine Wasserstoffrakete“, so Khan.

Fabio Caramelli vom europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum in den Niederlanden nennt einen weiteren Vorteil: „Methan hat eine relativ hohe Dichte und benötigt deshalb nicht so komplizierte Antriebssysteme.“ Der Schub, der auf eine Rakete wirkt, ist umso größer, je mehr Masse pro Zeiteinheit durch die Düse strömt. Weil Methan eine hohe spezifische Masse besitzt, reicht es schon aus, eine verhältnismäßig geringe Menge des Gases in die Brennkammer zu befördern. Raketenbauer können die Pumpen für den Methan-Antrieb also einfacher und robuster auslegen als etwa solche für Wasserstofftriebwerke.

„Ich könnte mir vorstellen, dass Methan als Raketentreibstoff zunächst Kerosin ersetzt", sagt Khan. An die Leistungsfähigkeit des Gemischs Wasserstoff und Sauerstoff komme der neue Kraftstoff aber nicht heran. Allerdings hat Methan eine Eigenschaft, die für künftige Raumfahrten interessant ist. Es lässt sich relativ einfach auf dem Mars produzieren. Raumfahrer, die dort landen, bräuchten den Treibstoff für den Rückflug nicht mitzunehmen, sondern könnten ihn auf dem Roten Planeten selbst herstellen.