Aufbruch zu den Sternen

Elektrische Antriebe

Nukleare Antriebe

Alternative Antriebe

Himmlische Aufzüge

Mit einer Rakete wollen wir die Erde verlassen, wobei wir verschiedene Ziele verfolgen können. Denkbar ist beispielsweise die Beförderung einer Nutzlast in einen Orbit, also in eine Umlaufbahn um die Erde. Das könnten Satelliten sein zur Wetterbeobachtung, für die Kommunikation, Navigation, Forschung und zu vielen anderen Zwecken. Wir können jedoch auch Astronauten zu einer Raumstation bringen, sie zum Mond befördern oder sogar zum Mars. Oder unbemannte Raumsonden zu Planeten, Asteroiden oder Kometen. Zu überlegen gilt es auch, ob man direkt von der Erde aus starten will bzw. muss, oder ob der Start aus einem Orbit erfolgen kann.

Es gibt somit völlig unterschiedliche Motivationen zur Verwendung einer Rakete, aus denen dann auch resultiert, ob man hohe Beschleunigungskräfte anwenden kann oder nicht, ob große oder kleinere Endgeschwindigkeiten in Betracht kommen oder ob man Swing-by- Manöver durchführen möchte (bei einem solchen Manöver kann man sich durch geschickte Wahl der Bahn eines Raumfahrzeugs vom Gravitationsfeld eine Planeten einfangen lassen, wodurch man an Geschwindigkeit gewinnt oder auch abbaut).

Die heute üblichen Antriebsarten, die auf chemischen (exothermen) Reaktionen beruhen, haben wir bereits kennengelernt. Hier wird ein fester oder flüssiger Brennstoff, z.B. Zellulosenitrat oder Wasserstoff, mit einem Sauerstofflieferanten und eventuellen Katalysatoren verbrannt. Die heißen Abgase werden durch eine Düse geleitet, wodurch die Ausströmgeschwindigkeit noch erhöht wird. Chemische Antriebe erzielen zwar sehr hohe Schubleistungen, ihre Ausströmgeschwindigkeiten sind jedoch relativ gering. Mit ihnen können größere Nutzlasten direkt von der Erde in den Weltraum befördert werden.
Wenn wir aber eines Tages interplanetare Flüge unternehmen und nicht unzumutbar lang unterwegs sein wollen, müssen wir nach Alternativen suchen. Einige davon sehen wir uns gleich an. Zuvor aber noch kurz zu einer weiteren, wesentlichen Kenngröße eines Raketenmotors, dem Spezifischen Impuls:

Der (massen-) spezifische Impuls $I_{\mathrm{sp}}$ einer Rakete ist die Änderung des Impulses (= Masse mal Geschwindigkeit) pro Masseneinheit des Treibstoffs. Er wird mit folgender Formel ausgedrückt:

$I_{\mathrm{sp}}=\frac{\stackrel{-}{F}·t_b}{m}=\frac{1}{m}·\underset{0}{\overset{t_b}{\int }}F\left(t\right)\mathrm{dt}$

Darin bedeuten:

• $t_b$: Brenndauer
• $m$: Treibstoffmasse
• $\stackrel{-}{F}$: mittlerer Schub
• $F\left(t\right)$: Schubverlauf

Allgemein wird jedoch heute der gewichtsspezifische Impuls einer Rakete verwendet, der um die Erdbeschleunigung korrigiert ist. Seine Einheit reduziert sich damit auf die Sekunde $\left[s\right]$ und wird berechnet nach:

$I_{\mathrm{sp}}=\frac{\stackrel{-}{F}·t_b}{m·g_0}=\frac{1}{m·g_0}·\underset{0}{\overset{t_b}{\int }}F\left(t\right)\mathrm{dt}$

Nun aber zu den verschiedensten Antriebsmethoden:

Elektrische Antriebe

Auf den ersten Blick mag es verwunderlich klingen, dass man mit elektrischer Energie Raumschiffe durchs All navigieren kann. Wenn man aber bedenkt, dass sich mit ihr ausgewählte Stützmassen hoch erhitzen oder gar ionisieren lassen, ist der Einsatz nicht mehr so abwegig. Allerdings liefern elektrische Antriebe nur einen sehr schwachen Schub und sind daher nicht geeignet, eine Rakete von einem Himmelskörper aus zu starten. Ihre Verwendung finden sie aber beispielsweise bei der Durchführung von Bahnkorrekturen. Soll sich das Raumfahrzeug in relativer Sonnennähe aufhalten, lässt sich elektrische Energie kostengünstig durch Solarzellen bereitstellen. Für große Energien benötigt man aber Generatoren, die durch Kernenergie angetrieben werden. Hier eine kleine Übersicht der teilweise bereits im Einsatz befindlichen Antriebsarten:

Typ	Beschreibung	Anwendung	Schub	Spez. Impuls [s]	Beispiel
Widerstands- Triebwerk	Treibstoff wird durch einen elektrischen Widerstand erhitzt	Lage- und Bahnregelung	150 [mN]	1000
Lichtbogen- Triebwerk	Treibstoff wird durch einen Lichtbogen zwischen 2 Elektroden bis zu 5000 [K] erhitzt	Lage- und Bahnregelung, Antrieb	3,5 [N]	2000
Feldemissionstriebwerk	Zwischen 2 positiv geladenen, eng benachbarten Anoden fließt ein flüssiges Metall (Cäsium) zu einer Spitze, in deren Nähe sich eine Kathode befindet. Das elektrische Feld zwischen beiden Elektroden ionisiert und beschleunigt den Treibstoff.	Lagekorrekturen	1 [mN]	12 000
Kaufmann- Triebwerk	Ein Lichtbogen erzeugt ein Plasma (Xenon, Quecksilber), welches durch ein Gitter beschleunigt und dann elektrisch neutralisiert wird.	Lage- und Bahnregelung, Antrieb	90 [mN]	3100	"NSTAR" der NASA:
Magnetoplasmadynamischer Antrieb	Die in einem als Anode geformten Trichter befindliche Stützmasse wird mittels einer Stabkathode ionisiert, wodurch im Plasma ein Strom fließt, der ein Magnetfeld erzeugt. Durch Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld werden die Plasmateilchen (Argon, Lithium, Wasserstoff) stark beschleunigt.	Bahnkorrektur	300 [mN]	4000
Radiofrequenz-Ionentriebwerk (RIT)	Elektromagnetische Wellen erzeugen ein Plasma (Xenon), positive Teilchen werden durch ein Gitter beschleunigt, anschließend neutralisiert und ausgestoßen.	Lage- und Bahnregelung, Antrieb	600 [mN]	bis über 9000	"HiPEP", NASA, RIT aus Deutschland:
Hallionentriebwerk (HET)	Durch einen Lichtbogen wird ein Plasma aus Xenon oder Bismut erzeugt. Elektronen bewegen sich kreisförmig in der als Ring ausgelegten Entladungskammer, die positiven Ionen werden durch den aus der Elektrotechnik bekannten Hall- Effekt ausgestoßen. Für die zurückbleibenden Elektronen wird ein Neutralisator eingesetzt.	Lage- und Bahnregelung, Antrieb	68 [mN]	1640	SMART I:
Gepulstes Plasmatriebwerk	Ähnelt einer Railgun, bei der ein Geschoss als stromführender Schlitten zwischen zwei Schienen beschleunigt wird. Hier aber befindet sich am Ende der Schienen ein Klotz aus Teflon, der scheibchenweise verdampft wird. Das abgestoßene Plasma erzeugt den Schub. Den zum Verdampfen notwendigen Strom liefern große Kondensatoren.	Lageregelung	1 [mN]	2200

Nukleare Antriebe

Um richtig große Schubleistungen zu erzielen müssen wir die Kernenergie in Betracht ziehen. Hier bieten sich gleich mehrere Varianten an, beispielsweise die Kernspaltung oder die Kernfusion. Allerdings sind derartige Antriebe eher theoretischer Natur, denn einerseits ist noch längst nicht geklärt, wie die Besatzung vor der Strahlung geschützt werden könnte. Andererseits verbietet vorerst der Vertrag zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser den Einsatz solcher Technologie. Es ist jedoch auch nicht gänzlich auszuschließen, dass künftig solche Konzepte zu friedlichen Zwecken angewendet werden. Betrachten wir wieder kurz die Varianten in tabellarischer Form:

Antrieb	Beschreibung	Schub	Spez. Impuls [s]	Beispiel
Festkernreaktor	In einem Kernreaktor wird durch Kernspaltung ein durchgeleitetes Gas (Wasserstoff, Ammoniak) auf hohe Temperaturen (3000 [°C]) erhitzt und anschließend unter hohem Druck durch eine Düse ausgestoßen.	1000 [kN]	1000	Projekt NERVA der NASA
Gaskernreaktor	Einem Festkernreaktor ist durch den Schmelzpunkt eine Grenze gesetzt. Je höher aber die Temperatur, umso höher auch der Schub. So denkt man gasförmige Reaktoren an, wodurch ein spez. Impuls bis zu 5000 [s] möglich ist. Problematisch ist dabei aber, dass die Reaktionsmasse mit ausgestoßen würde.	bis 1000 [kN]	5000
Radionuklidreaktor	Ein Gas (Wasserstoff, Helium) strömt über ein Radionuklid, welches durch den natürlichen Zerfall Wärme freisetzt. Diese geht auf das Gas über, welches dann durch eine Düse austritt.	10 [N]	800	Projekt Poodle, USA
Nuklearer Pulsantrieb	Kaum zu glauben: Bei diesem Antrieb soll alle paar Minuten am Heck der Rakete eine Kernexplosion ausgelöst werden, die das Schiff dann nach vorn katapultieren würde. Technisch wäre das durchaus machbar, Nutzlast bzw. Mannschaft würden durch "Stoßdämpfer" vor zu hohen Beschleunigungswerten geschützt. Zwar soll sich die Druckwelle der Atombombenexplosion an einem Prallteller abstützen, inwieweit das aber die Besatzung vor Strahlung schützen würde ist ungeklärt. Vorteil eines solchen Antriebs: hoher Schub und hoher spez. Impuls.	bis 10 000 [kN]	bis 10 000	Orion-, Daedalus- Projekt
Antrieb durch Kernfusion	Wesentlich mehr an Energie als durch Kernspaltung könnte durch einen Kernfusionsreaktor freigesetzt werden. Doch leider steht uns diese Technologie noch nicht zur Verfügung. Falls es aber doch einmal möglich sein wird, könnte man mit einem so genannten Bussard- Kollektor den überall im Weltraum vorhandenen Wasserstoff einfangen und dem Reaktor zuführen. Der Kollektor wäre nichts anderes als ein riesiges Magnetfeld vor dem Raumschiff, um möglichst viel vom extrem dünnen Gas einzufangen. Die heißen Brennprodukte (z.B. Helium) könnten durch eine Düse ausgestoßen werden. Der Vorteil eines solchen Antriebs läge in einer praktisch unbegrenzten Reichweite, da nur sehr wenig Treibstoff mitgeführt werden müsste.	30 000 [N]	47 000

Alternative Antriebe

Mit den bislang vorgestellten Antrieben ist noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. Findige Köpfe haben noch weitere Möglichkeiten ersonnen, mit denen man Raketen durch den Weltraum fliegen lassen könnte. Sehen wir uns noch einige dieser z.T. exotischen Alternativen an:

"Himmlische Aufzüge" & Co.

Bisher haben wir betrachtet, wie man einen Körper im Weltraum antreiben kann. Es werden aber auch - teilweise exotische - Methoden angedacht, wie man von einem Himmelskörper aufsteigt ohne einen üblichen Raketenantrieb.

Wie wir sahen gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten, Raumfahrzeuge ins All zu befördern und sie dort zu bewegen. Viele dieser Methoden sind als realistisch anzusehen und nach heutigen Erkenntnissen technisch umsetzbar, wenn sie auch teilweise recht exotisch klingen. Nicht aufgeführt sind Reisen mittels Warpantrieb oder durch Wurmlöcher, auch keine Antigravitationslifte und auch nicht das Beamen. Derlei überlassen wir vorerst der SF- Literatur und künftigen Superzivilisationen.