Geschrieben von Beverly Perry
Was haben Wasser und Aluminium gemeinsam?
Wenn Sie erraten haben, dass Wasser und Aluminium SLS zum Fliegen bringen, geben Sie sich selbst einen goldenen Stern!
Chemie ist das Herzstück, das Raketen zum Fliegen bringt. Der Raketenantrieb folgt dem dritten Newtonschen Gesetz, das besagt, dass es für jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion gibt. Um eine Rakete von der Startrampe zu bekommen, muss man eine chemische Reaktion erzeugen, die Gas und Partikel aus einem Ende der Rakete herausschießt, und die Rakete wird in die andere Richtung fliegen.
Welche Art von chemischer Reaktion bringt heiße Gase dazu, aus dem Geschäftsende einer Rakete mit genügend Geschwindigkeit herauszuschießen, um sie von der Schwerkraft der Erde zu befreien? Verbrennung.
Ob es sich um Ihr persönliches Fahrzeug oder eine gigantische Trägerrakete wie SLS handelt, die Grundlagen sind die gleichen. Verbrennung (etwas verbrennen) setzt Energie frei, die Dinge in Bewegung setzt. Beginnen Sie mit Treibstoff (etwas, das verbrannt werden soll) und einem Oxidationsmittel (etwas, das es zum Brennen bringt) und schon haben Sie einen Treibstoff. Damit SLS fliegen kann, findet die Verbrennung in zwei Hauptbereichen statt: in den Haupttriebwerken (vier RS-25 von Aerojet Rocketdyne) und in den beiden Feststoffraketen-Boostern (gebaut von Orbital ATK), die mehr als 75 Prozent des Schubs beim Start liefern. Die Verbrennung treibt beide Antriebssysteme an, aber die Brennstoffe und Oxidationsmittel sind unterschiedlich.
Die RS-25-Haupttriebwerke werden „Flüssigtriebwerke“ genannt, weil der Treibstoff flüssiger Wasserstoff (LH2) ist. Als Oxidationsmittel dient flüssiger Sauerstoff (LOX). Die Booster hingegen verwenden Aluminium als Treibstoff mit Ammoniumperchlorat als Oxidator, gemischt mit einem Bindemittel, das einen homogenen Festtreibstoff bildet.
Wasser macht SLS flugfähig
Wasserstoff, der Treibstoff für die Haupttriebwerke, ist das leichteste Element und liegt normalerweise als Gas vor. Gase – insbesondere der leichte Wasserstoff – haben eine geringe Dichte, was bedeutet, dass ein wenig davon viel Platz einnimmt. Um genug davon für eine große Verbrennungsreaktion zu haben, bräuchte man einen unglaublich großen Tank – das Gegenteil von dem, was man für eine aerodynamisch konstruierte Trägerrakete braucht.
Um dieses Problem zu umgehen, muss man das Wasserstoffgas in eine Flüssigkeit verwandeln, die dichter ist als ein Gas. Das bedeutet, den Wasserstoff auf eine Temperatur von -423 Grad Fahrenheit (-253 Grad Celsius) abzukühlen. Richtig kalt.
Obwohl er dichter als Wasserstoff ist, muss auch Sauerstoff in eine Flüssigkeit komprimiert werden, um in einen kleineren, leichteren Tank zu passen. Um Sauerstoff in seinen flüssigen Zustand zu bringen, wird er auf eine Temperatur von -297 Grad Fahrenheit (-183 Grad Celsius) abgekühlt. Obwohl das im Vergleich zu LH2 sehr mild ist, müssen beide Treibstoffbestandteile bei diesen Temperaturen besonders behandelt werden. Außerdem verdampfen das kryogene LH2 und LOX bei Umgebungsdruck und -temperatur schnell, was bedeutet, dass die Rakete erst einige Stunden vor dem Start mit dem Treibstoff beladen werden kann.
Sobald die Tanks gefüllt sind und der Startcountdown sich dem Nullpunkt nähert, werden das LH2 und LOX in die Brennkammer jedes Triebwerks gepumpt. Wenn der Treibstoff gezündet wird, reagiert der Wasserstoff explosionsartig mit Sauerstoff zu: Wasser! Elementar!
2H2 + O2 = 2H2O + Energie
Diese „grüne“ Reaktion setzt gewaltige Mengen an Energie zusammen mit überhitztem Wasser (Dampf) frei. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion erzeugt enorme Hitze, wodurch sich der Wasserdampf ausdehnt und mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Meilen pro Stunde aus den Motordüsen austritt! All dieser sich schnell bewegende Dampf erzeugt den Schub, der die Rakete von der Erde abhebt.
Es geht um den Impuls
Aber es ist nicht nur die umweltfreundliche Wasserreaktion, die kryogenes LH2 zu einem fantastischen Raketentreibstoff macht. Es geht vor allem um den Impuls – den spezifischen Impuls. Dieses Maß für die Effizienz von Raketentreibstoff beschreibt die Menge an Schub pro verbrannter Treibstoffmenge. Je höher der spezifische Impuls, desto mehr „Schub von der Rampe“ erhält man pro Pfund Treibstoff.
Der LH2-LOX-Treibstoff hat den höchsten spezifischen Impuls aller gängigen Raketentreibstoffe, und das unglaublich effiziente RS-25-Triebwerk holt aus einem ohnehin schon effizienten Treibstoff einen großartigen Benzinverbrauch heraus.
Aber obwohl LH2 den höchsten spezifischen Impuls hat, würde die Mitnahme von genügend LH2 für die zum Verlassen der Erdoberfläche erforderliche Reaktion aufgrund seiner geringen Dichte einen Tank erfordern, der zu groß, zu schwer und mit einer zu starken Isolierung zum Schutz des kryogenen Treibstoffs versehen wäre, um praktikabel zu sein.
Um das zu umgehen, haben die Konstrukteure SLS einen Boost gegeben.
Nächstes Mal: Wie die Feststoffraketen-Booster Aluminium verwenden – das gleiche Zeug, mit dem man seine Essensreste abdeckt – um genug Schub zu liefern, um SLS vom Boden zu holen.