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Bau eines besseren Raketenantriebs |
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20.10.2005 - Techniker haben eine Möglichkeit gefunden die Leistung von Flüssigbrennstoff-Raketen zu erhöhen. Ihr Geheimnis: innovative Rohrleitungen.
Wenn Sie an zukünftige Raketentechnologie denken, stellen Sie sich wahrscheinlich Ionenantriebe, Antimaterie-Motoren und andere exotische Konzepte vor. Nicht so schnell! Das letzte Kapitel der mit Flüssigbrennstoff angetriebenen Raketen muss erst noch geschrieben werden. Die Forschung ist auf dem Weg hin zu einer neuen Generation von Flüssigbrennstoff-Raketen, welche die heutige Leistung verdoppeln und die Verlässlichkeit verbessern würde. Flüssigbrennstoff-Rakten gibt es schon eine ganze Weile: Der erste Start wurde 1926 von Robert H. Goddard durchgeführt. Diese einfache Rakete produzierte etwa einen Schub von 20 Pfund, genug um sie ungefähr 12 Meter in die Luft zu heben. Seitdem wurden die Konstruktionen ausgeklügelter und leistungsfähiger. Die 3 Antriebe des Space Shuttles können zum Beispiel auf ihrem Weg in die Erdumlaufbahn mehr als 1,5 Millionen Pfund Schub zur Verfügung stellen. Sie nehmen vielleicht an, dass jede denkbare Verbesserung bei der Konstruktion von Flüssigbrennstoff-Raketen bereits durchgeführt wurde. Sie würden damit falsch liegen. Es hat sich herausgestellt, dass es noch Platz gibt für Verbesserungen. Geleitet durch die US Air Force, arbeitet eine Gruppe, bestehend aus NASA, dem Verteidigungsministerium und verschiedenen Partnern aus der Industrie, an besseren Konstruktionen der Antriebe. Ihr Programm wird " Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies" genannt, und sie suchen nach zahlreichen möglichen Verbesserungen. Eines der bisher vielversprechendsten ist ein neues Schema für den Fluss des Treibstoffs: Die Grundidee, die hinter einer Flüssigbrennstoff-Rakete steht, ist eher einfach. Ein Treibstoff und ein Oxidationsmittel, beide in flüssiger Form, werden in eine Verbrennungskammer geleitet und entzündet. Das Shuttle benutzt zum Beispiel flüssigen Wasserstoff als Brennstoff und flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die heißen Gase, die durch die Verbrennung erzeugt werden, entweichen schnell durch die kegelförmigen Düsen und erzeugen so den Schub. Die Details sind natürlich wesentlich komplizierter. Zum einen muss beides, der flüssige Brennstoff und das Oxidationsmittel, sehr schnell und unter hohem Druck in die Verbrennungskammer geleitet werden. Die Haupantriebe des Shuttles würden einen Pool, gefüllt mit Brennstoff, in nur 25 Sekunden austrocknen! Dieser Strom aus Brennstoff wird durch eine Turbopumpe angetrieben. Um die Turbopumpe anzutreiben, wird ein kleiner Teil des Brennstoffs "vorverbrannt", was heißes Gas produziert, dass die Turbopumpe antreibt, die dann im Gegenzug den Rest des Brennstoffs in die Haupt-Verbrennungskammer pumpt. Ein ähnlicher Vorgang wird genutzt, um das Oxidationsmittel zu transportieren. Die heutigen Flüssigbrennstoff-Rakten verbrennen nur einen kleinen Teil Brennstoff und Oxidationsmittel im Vorfeld. Der Hauptteil fließt direkt in die Haupt-Verbrennungskammern und umgeht die Vorverbrennung vollständig. Eine der zahlreichen Neuerungen, die durch Air Force und NASA getestet werden, ist es den gesamten Brennstoff sowie das Oxidationsmittel durch ihre entsprechenden Vorverbrenner zu leiten. Nur ein kleiner Teil wird dort verbraucht -- gerade genug um die Turbopumpen anzutreiben; der Rest fließt durch in die Verbrennungskammer. Diese "gestufte Brennstoff Durchlauf" Konstruktion hat einen wichtigen Vorteil: durch die größere Masse die durch die Turbine fließt, die die Turbopumpe antreibt, wird diese stärker angetrieben und erreicht so höhere Drücke. Höhere Drücke führen bei einer Rakete zu höherer Leistung. Nach Aussage von Gary Genge, vom NASA Marshall Space Flight Center, wurde solch eine Konstruktion bei Flüssigbrennstoff-Rakten zuvor noch niemals in den Vereinigten Staaten benutzt. Genge ist der stellvertretende Projektleiter für den Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) -- einem Testantrieb für dieses Konzept. "Diese Konstruktionen, die wir erforschen, könnten die Leistung auf viele Arten steigern," sagt Genge. "Wir erhoffen uns eine bessere Effizienz in Hinblick auf den Treibstoff, ein höheres Schub-zu-Gewicht Verhältnis, verbesserte Ausfallsicherheit -- alles zu geringeren Kosten." "In der derzeitigen Phase des Projekts versuchen wir jedoch nur dieses alternative Rohrleitungsmodell funktional zu machen," bemerkt er. Ein Ziel haben sie schon erreicht: einen kühler arbeitenden Motor. "Turbopumpen, die herkömmliche Rohrleitungen verwenden, können sich bis auf 1800° C erhitzen," sagt Genge. Dies ist eine hohe thermische Belastung für den Motor. Die neue Konstruktion ist kühler, weil durch die höhere Masse die durch die Pumpe fließt niedrigere Temperaturen benutzt werden können und immer noch eine gute Leistung erreicht wird. "Wir haben die Temperatur um einige hundert Grad gesenkt," sagt er. IPD dient nur als Testfeld für neue Ideen, bemerkt Genge. Der Demonstrator selber wird niemals in den Weltraum fliegen. Wenn dieses Projekt allerdings erfolgreich ist, könnten einige Verbesserungen durch den IPD ihren Weg in die Raketen der Zukunft finden. Fast 100 Jahre und 1000 Starts nach Goddard, kommt die beste Flüssigbrennstoff-Rakete vielleicht erst noch. Autor: Frank Erhardt |