Bei der Raketenwissenschaft dreht sich alles um die Verwendung von Raketenantrieben, um alles zu bewegen, von einem Feuerwerk bis zu einem bemannten Raumschiff.
Das Herzstück der Raketentechnik ist das dritte Bewegungsgesetz von Isaac Newton, das seit über 300 Jahren etabliert ist. Es besagt, dass jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion hat. Wenn du vor einer Wand stehst und hart dagegen drückst, bewegst du dich rückwärts.
Wenn Sie auf einem Skateboard stehen und einen schweren Gegenstand so hart wie möglich von sich wegwerfen (versuchen Sie das nicht zu Hause), rollen Sie in die entgegengesetzte Richtung. Wenn Sie ein Objekt nach vorne schieben, stößt das Objekt mit der gleichen Kraft auf Sie zurück.
Bei einer Rakete ist das „Objekt“, das geschoben wird, das Endprodukt des brennenden Treibstoffs, der beim Verbrennen des Treibstoffs aus der Rückseite der Rakete schießt und die Rakete dazu zwingt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
Ist Raketenwissenschaft kompliziert?
Gar nicht. Es gibt drei grundlegende Anforderungen an eine funktionierende Rakete:sie in Bewegung setzen, die Schwerkraft überwinden und einen Kurs festlegen. Jedes davon hängt von der Physik ab, die seit Newtons Tagen bekannt ist.
Raketen im leeren Weltraum sind einfach, aber auf der Erde müssen wir die Schwerkraft unseres Planeten überwinden. Hier ist eine Rakete so viel besser als eine Kanone. Der Science-Fiction-Autor Jules Verne schlug vor, letzteres zu verwenden, um im 19. Jahrhundert eine Granate mit drei Passagieren zum Mond abzufeuern.
Aber eine Kanone muss ihre Nutzlast auf die Geschwindigkeit bringen, die nötig ist, um die Schwerkraft der Erde zu verlassen – die Fluchtgeschwindigkeit – bis sie das Rohr verlässt, denn danach wirken nur noch die Schwerkraft und der Luftwiderstand auf sie ein, die sie beide verlangsamen .
Die Beschleunigung, um Vernes Granate auf die erforderlichen 11,2 km/s zu bringen, würde die Passagiere im Inneren zerquetschen. Aber eine Rakete kann sanfter beschleunigen, solange ihr Treibstoff reicht, und allmählich aus der Schwerkraft der Erde heraussteigen.
Wenn es darum geht, einen Kurs festzulegen, brauchen wir wieder einmal nur Newtons Physik, die es uns ermöglicht zu verstehen, wie die Flugbahn durch die Anziehungskräfte der Erde, der Sonne und des Mondes beeinflusst wird (die anderen Planeten werden Einfluss haben auch, aber diese sind klein in einem lokalen Flug), plus irgendwelche 'Verbrennungen' des Raketentriebwerks.
Was eine erfolgreiche Raketentechnik so schwierig macht, ist weniger die Wissenschaft als vielmehr die Technik. In einer Rakete steckt so viel komplexe Technologie, dass es unglaublich schwierig ist, sicher zu sein, dass alles funktioniert.
Also ist Raketenwissenschaft keine, ähm, „Raketenwissenschaft“?
Nein, aber nicht jeder kann die Grundlagen der Physik verstehen.
Als der amerikanische Raketenpionier Robert H. Goddard 1920 sagte, dass eine Rakete von der Erde den Mond erreichen könnte, The New York Times offensichtlich nicht verstanden, wie Raketen funktionieren.
Ein Leitartikel der Zeitung kommentierte:„Dass Professor Goddard mit seinem ‚Lehrstuhl' am Clark College und der Unterstützung der Smithsonian Institution das Verhältnis von Aktion und Reaktion und die Notwendigkeit, etwas Besseres als ein Vakuum dagegen zu haben, nicht kennt darauf reagieren – das zu sagen, wäre absurd. Natürlich scheint ihm nur das Wissen zu fehlen, das täglich in den High Schools geschöpft wird.“
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Was der Leitartikel übersehen hat, ist, dass eine Rakete nicht gegen die Atmosphäre drückt – sie wird durch den brennenden Treibstoff geschoben, der aus ihrem Rücken schießt.
Die Zeitung veröffentlichte 1969, als Apollo 11 auf dem Weg zum Mond war, eine „Korrektur“, entschuldigte sich jedoch nie dafür, dass sie Newtons Gesetze der Physik und Goddards Ruf verstümmelte.
Wie funktionieren Raketen?
Alle Raketen funktionieren nach dem Prinzip, etwas aus dem Rücken zu werfen, um die Rakete vorwärts zu treiben, aber was dieses „Etwas“ genau ist, kann variieren.
Eines der frühesten bekannten Geräte mit Raketenantrieb war die Äolipile, die im 1. Jahrhundert n. Chr. von Hero of Alexandria entworfen wurde. Es verwendete Dampf, der aus Rohren austrat, um eine Metallkugel zu drehen.
Die meisten Raketen verwenden brennbare Substanzen, und es sind die energetischen Abgase, die beim Verbrennen entstehen, die den Schub liefern. Ursprünglich wurden solche Raketen mit Schießpulver angetrieben, aber modernere Konstruktionen verwenden entweder spezielle feste Brennstoffe oder Gase wie Wasserstoff, die verflüssigt werden, um die Menge zu maximieren, die transportiert werden kann.
Weltraumraketen müssen ohne Luft auskommen, also brauchen sie ein Oxidationsmittel, das die Rolle des Sauerstoffs in der Atmosphäre übernimmt. Dies kann flüssiger Sauerstoff oder andere Substanzen sein.
Die neueste Raketentechnologie ist der Ionenantrieb oder Thruster. Dies ist eine elektrisch angetriebene Rakete, bei der geladene Teilchen (Ionen) durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, um aus der Rückseite der Rakete herauszuschießen.
Triebwerke werden am häufigsten zum Lenken von Raketen verwendet, da sie sehr präzise, aber ziemlich schwach sind. Sie könnten jedoch den Hauptantrieb für eine Rakete liefern, die für den Einsatz im Weltraum konzipiert wurde.
Wie begann die Raketenwissenschaft?
Abgesehen von griechischen Dampfraketen wurden die frühesten Raketen für Feuerwerke und als Waffen in China hergestellt, wo sie mindestens bis ins 13. Jahrhundert zurückreichen.
Metallraketen für Waffen wurden im Westen im 19. Jahrhundert eingesetzt. Sie waren schwer zu zielen, stellten aber eine effektive Terrorwaffe dar und wurden für den Einsatz von Schiffen aus beliebt, da Raketen keinen Rückstoß haben – im Gegensatz zu Kanonen.
Diese Art der Verwendung hatte Francis Scott Key, Autor der US-Nationalhymne, im Sinn, als er vom „roten Glanz der Raketen“ sprach.
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Wenn es um die Raumfahrt ging, tauchten Raketen Jahrzehnte vor ihrer praktischen Anwendung in Geschichten auf.
Als das amerikanische Establishment in den 1930er Jahren mit der Arbeit an Raketentechnik begann, soll das Militär das ganze Konzept zu sehr nach Science-Fiction empfunden haben, weshalb die Entwicklungsbasis in Pasadena, Kalifornien, Jet Propulsion Laboratory genannt wurde, obwohl sie nie funktionierte Jets, nur Raketen.
In ähnlicher Weise sollen die Raketenpakete, mit denen Flugzeuge von kurzen Start- und Landebahnen abheben, „JATO“ (jet-assisted take-off) haben, um das „R“-Wort zu vermeiden.
Die Weltraumraketen der USA und der UdSSR nach dem Zweiten Weltkrieg wurden ursprünglich von der deutschen V-2-Waffe inspiriert. Sein Entwickler, Wernher von Braun, hatte wenig Interesse an dem Konflikt, sah seine Arbeit jedoch als Möglichkeit, seine Raumfahrtträume zu verwirklichen.
Nach dem Krieg entwickelten beide Supermächte Raketen aus der V-2, und die Atlas-Raketen, mit denen die ersten amerikanischen Astronauten ins All gebracht wurden, waren ursprünglich als Interkontinentalraketen konzipiert. Sogar die im Apollo-Programm verwendete Saturn-V-Rakete hatte eine Abstammungslinie, die über die Jupiter-Serie bis zu den Redstone-Raketen zurückreichte.
Können Raketen Sauerstoff aus der Atmosphäre verwenden?
Weltraumraketen tragen ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, damit Treibstoff im Weltraum verbrennen kann. Doch für den ersten und schwierigsten Teil des Starts reisen sie durch die Atmosphäre.
Wenn sie während der Fahrt Sauerstoff aufnehmen könnten, würde dies das Startgewicht erheblich reduzieren. Es wäre also ein großer Vorteil, Luftsauerstoff zu nutzen, solange er verfügbar ist.
Das Problem ist, dass es eine gewaltige technische Herausforderung ist.
In einer Wasserstoff/Sauerstoff-Rakete, wie sie viele von der NASA verwenden, muss der Sauerstoff komprimiert und auf etwa -140 °C abgekühlt werden, bevor er sich mit dem Wasserstoff vermischt, was in etwa 1/100 Sekunde erfolgen muss, wobei Eis vermieden werden muss Blockaden durch Feuchtigkeit in der Luft.
Dies wurde im SABRE-Antriebssystem erreicht, das von der britischen Firma Reaction Engines gebaut wurde. Die Hoffnung ist, dass dies bald in funktionierenden Raketenmotoren verwendet wird, die für das Raumflugzeug SKYLON entwickelt wurden.
Warum haben große Raketen mehrere Stufen?
Einer der größten Unterschiede zwischen den Raketen der frühen Science-Fiction und den tatsächlichen Raketen, die Menschen in den Weltraum brachten, war, dass die echten Raketen mehrere Stufen hatten, die wegfielen, als die Rakete die Erde verließ.
Diese Idee wurde bereits 1903 von dem russischen Schullehrer und Raketenpionier Konstantin Tsiolkovsky entwickelt.
Die Stufen spiegeln die Notwendigkeit wider, viel Treibstoff mitzuführen, damit die Rakete der Anziehungskraft der Erde entkommen kann. Wenn die Kraftstofftanks leer sind, sind sie nur zusätzliche Masse, die beschleunigt werden muss, wodurch Kraftstoff verschwendet wird.
Indem man eine Stufe ablegt, wenn der Treibstoff verbraucht ist (oder externe Einwegtanks wie das Space Shuttle hat), wird das verbleibende Fahrzeug viel leichter und benötigt weniger Treibstoff, um es zu beschleunigen.
Tsiolkovsky war ein Theoretiker und es war Goddard, der die ersten praktischen mehrstufigen Versuchsraketen konstruierte.
Raumfahrzeuge, die zur Erde zurückkehren, verwenden eine Kombination aus Luftwiderstand, Flügeln (insbesondere beim Space Shuttle) und Fallschirmen, um das Schiff beim Wiedereintritt zu verlangsamen, im Gegensatz zu den meisten Raumschiffen in der Science-Fiction, die langsam unter Raketenantrieb landen.
Raketen werden für die Landung dort verwendet, wo es keine Luft und relativ wenig Schwerkraft gibt, wie auf dem Mond, aber ein Schiff kann einfach nicht genug Treibstoff für eine sanfte Landung auf der Erde mitführen – es verbraucht den größten Teil seines Treibstoffs, um überhaupt zu entkommen .
Um mit Raketen zur Erde zurückzukehren, wäre eine Art Betankung im Weltraum erforderlich, was derzeit nicht möglich ist.
Wo wurden Raketen eingesetzt?
Wir sind mit Raketen in Feuerwerken und Raumfahrzeugen vertraut, aber das Militär hat die Raketentechnologie seit langem in der Kriegsführung eingesetzt, von frühen Geräten, die kaum mehr als Metallflaschenraketen waren, bis hin zu modernen Raketen und raketengetriebenen Granaten.
Andernorts haben Raketen einen lebensrettenden Einsatz in Rettungsfackeln, als Mittel, um eine Leine zwischen Schiffen zu ziehen, um gestrandete Seeleute in Sicherheit zu bringen, und in den Schleudersitzen von Militärflugzeugen.
Das im James-Bond-Film Thunderball verwendete Jetpack war genauer gesagt ein Raketenpaket, während Raketen auch Autos und Schlitten zu Geschwindigkeitsrekorden angetrieben haben. Wenn Sie viel Schub für relativ kurze Zeit wollen, ist eine Rakete oft die beste Lösung.
Werden wir immer Raketen benutzen?
Einige Raketen, wie Ionenantriebe, sind wahrscheinlich immer nützlich. Aber es wäre ideal, wenn wir Raketen ersetzen könnten, sowohl um von der Erde wegzukommen als auch für die Art von Langzeitbeschleunigung, die erforderlich ist, um Reisen zum äußeren Sonnensystem oder sogar zu anderen Sternen alltäglich zu machen.
Eine Alternative zu Raketen ist der Weltraumaufzug.
Dabei wird ein extrem langes Kabel von einem Satelliten bis zur Erdoberfläche verlegt. Eine mechanische Vorrichtung würde dann verwendet, um darauf zu klettern und eine Nutzlast in den Weltraum zu ziehen. Es ist ein großartiges Konzept, da es viel billiger als Raketen wäre und seinen Treibstoff nicht mitführen muss.
Aber wir haben keine Materialien, die stark genug sind, um einen Weltraumaufzug von der Erde aus zu bauen.
Das Kabel müsste fast 38.000 km lang sein. Ein typisches 28-mm-Stahlkabel dieser Länge, das etwa 50 Tonnen tragen kann, würde 115.000 Tonnen wiegen. Im Prinzip haben wir aber Materialien, die stark genug sind, um einen Weltraumaufzug auf dem Mond zu bauen.
Wenn es um den Weltraum geht, könnten wir einige der Anforderungen für Raketen durch Sonnensegel ersetzen, die den Druck des Sonnenlichts nutzen, um ein Schiff allmählich zu beschleunigen, oder Massenantriebe, die wie externe Triebwerke sind, die das gesamte Schiff antreiben.
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Aber die dramatischste Alternative, die 1958 erdacht wurde, besteht darin, ein Schiff anzutreiben, indem man hinter ihm winzige Atomladungen explodieren lässt, die auf der Schockwelle reiten.
Das ursprüngliche Projekt Orion hatte das Motto „Mars bis 1966, Saturn bis 1970“. Es wurde nie gebaut (teilweise, weil die ursprüngliche Idee, diese Nuklearladungen für den Start von der Erde zu verwenden, gelinde gesagt, unpraktisch war).
Aber die Idee wurde in späteren Konzeptraumschiffen wieder aufgegriffen. Der große Vorteil von Kernbrennstoff besteht darin, dass er viel mehr Energie in eine bestimmte Masse komprimiert, aber die damit verbundenen Risiken haben diesen Ansatz bisher unpraktisch gemacht.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 287 von BBC Science Focus – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können