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Alle realistischen Antriebsarten beruhen auf dem selben
Prinzip. Sie funktionieren nach dem dritten Newton´schen Gesetz "actio
= reactio", das Rückstoßprinzip. Das heisst, jede Kraft erzeugt eine
gleichgrosse Gegenkraft in die entgegengesetzte Richtung. Dieses Gesetz
wirkt zum Beispiel auch beim Rückstoss eines Gewehres. Je mehr Verbrennungsgase
in kurzer Zeit ausgestoßen werden, desto höher ist auch der auftretende
Impuls in die Gegenrichtung und damit die Geschwindigkeit (zweites
Newton´sche Gesetz, Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung). Es
gilt also bei allen Antriebsarten möglichst viele Gase, in geringer
Zeit, schnell auszustossen, um dann einen möglichst starken Impuls
zu erhalten, welcher das Raumschiff auf eine hohe Geschwindigkeit
bringt. |
3.1. Der konventionelle
Raketenantrieb
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Die konventionellen Raketentriebwerke beruhen auf der
Verbrennung von flüssigen oder festen Treibstoffen. Die dabei freigesetzte
thermische Energie wird in der Düse der Brennkammer in gerichtete
kinetische Energie umgewandelt. Man unterscheidet also zwischen Festtreibsoffraketen
und Flüssigtreibstoffraketen. |
3.1.1. Funktionsweise
des Festtreibstoffantriebs
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Die Festtreibstoffrakete war den Chinesen schon seit
ca. 970 bekannt. Sie wurde als Signal- und Feuerwerksrakete eingesetzt,
aber auch als Waffe. Bei heutigen Raketen enthält die Brennkammer
das feste Treibstoffgemisch, dieses wird gezündet und verbrennt anschließend
an Ort und Stelle, hierbei können Schübe von mehreren 10000kN erreicht
werden. Diese Art des Antriebs ist sehr wartungsfreundlich, immer
einsatzbereit und im Gegensatz zum Flüssigtreibstoffantrieb kostengünstiger.
Sein Nachteil ist, dass er nur einmal verwendbar ist und auch nicht
"abgeschaltet" werden kann. Auch kann der Schub während des Brennvorganges
nur eingeschränkt verändert werden. Aus diesen Vor- und Nachteilen
ergeben sich auch seine Einsatzgebiete. Er wird hauptsächlich bei
militärische Raketen und Forschungsraketen eingesetzt. In der Raumfahrt
finden er als sogenannter Feststoffbooster beim Start von grossen
Trägerraketen (z.B. die europäische Ariane Abb.21),
sowie beim Start des Spaceshuttles Verwendung (Abb.22). |
3.1.2. Funktionsweise
des Flüssigtreibstoffantriebs
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Der Flüssigtreibstoffantrieb kam erst sehr viel später
auf als der Feststoff-antrieb. 1942 wurde vom deutschen Physiker und
Raketentechniker Wernher Freiherr von Braun (Abb.23)die
erste einsatzfähige militärische Großrakete konstruiert. Die "A4"
("Aggregat 4") hatte eine Reichweite von mehr als 300km und eine Geschwindigkeit
von 5.000km*h-1, sie konnte 1000kg Nutzlast transportieren und wurde
1944 als "V2" ("Vergeltungswaffe"Abb.24)
von Deutschland im zweiten Weltkrieg gegen England eingesetzt. Heute
wird der Flüssigtreibstoffantrieb fast ausschließlich in der Raumfahrt
eingesetzt. Sein Vorteil liegt in der problemlosen Steuerung und Schubkontrolle,
auch kann er ohne grosse Schwierigkeiten ein und ausgeschaltet werden.
Diese Vorteile ermöglichen die Einhaltung von Bahnhöhe, Bahnrichtung
und Bahn-geschwindigkeit, weshalb er sich für den Transport von Satelliten,
Raumsonden und anderen Lasten hervorragend eignet (Abb.25).
Allerdings wird auch diese Antriebsart für militärische Zwecke genutzt
(siehe V2). Im Gegensatz zu den Feststoffraketen ist der Aufbau einer
Flüssigtreibstoffrakete weitaus komplizierter und damit auch entsprechend
kostenintensiver. Der Brennstoff (meist Kerosin oder Wasserstoff)
und der Oxydator (meist flüssiger Sauerstoff) werden in getrennten
Tanks aufbewahrt. Sie werden erst über Leitungen in die Brennkammer
geleitet, wo sie schliesslich verbrannt werden. Flüssigraketen haben
eine Brenndauer von bis zu 60 Minuten und es werden Ausström-geschwingigkeiten
von ca. 4500m*s-1 erreicht. |
3.2. Die alternativen
Antriebsarten
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Der Ionenantrieb gilt als die reellste Möglichkeit,
um sich im Weltall fortzubewegen und wird auch elektrischer Antrieb
bezeichnet. Der erste Ionen-antrieb der NASA wurde 1960 im Glenn Research
Center gebaut. Seitdem wurden sehr viele Tests in Labors und einige
im Weltraum durchgeführt. Aber man war nicht bereit, es als primären
Antrieb zu nutzen, da immernoch die Möglichkeit bestand, dass es nicht
funktionieren könnte. Ein Ausfall würde zum Fehlschlag einer teuren
Mission und zum Verlust von wichtigen wissen-schaftlichen Daten führen.
Die Leiter der Missionen waren gewöhnlich nicht bereit, diese Art
von Risiko auf sich zu nehmen und bevorzugten deshalb den bewährten
chemischen Antrieb. Hier setzt das "New Millennium Programm" an, dessen
Ziel ist es, zu testen, ob diese wichtige aber riskante Technologie
im tiefen All oder im erdnahen Raum funktioniert oder nicht. Denn
wenn sie funktioniert, ist sie eine Möglichkeit das All weitaus effizienter
und damit billiger zu erforschen. Die Flüge des "New Millennium Programm"
werden die Risiken und Kosten zukünftiger Missionen senken. Die Raumsonde
"Deep Space 1" (Abb.26) stellt
denn ersten Flug dieses Programmes dar. Am 24 Oktober 1998 startete
Sie mit einer Delta 7326 Trägerrakete vom Cap Canaveral. Die letztendliche
Geschwindigkeit einer Raumsonde mit Ionenantrieb hängt davon ab, wieviel
Treibstoff sie mit sich führt. So führt "Deep Space 1" 1 81,5kg Xenon
als Treibstoff mit sich, diese Menge wird für 20 Monate reichen. Die
Geschwindigkeit der Sonde wird dann bei 4,5km*s-1 liegen, bei einem
chemischen Antrieb würde man mit der selben Menge an Treibstoff ein
zehntel der Geschwindigkeit erreichen. Wenn "Deep Space 1" einen grösseren
Antrieb und mehr Xenon zur Verfügung haben würde , wäre eine sehr
viel höhere End-geschwindigkeit möglich. Mit "Deep Space 1" wird der
Ionenantrieb "nur" getestet, spätere Missionen mit Ionenantrieb werden
wahrscheinlich mehr Treibstoff mit sich führen und so noch höhere
Geschwindigkeiten erreichen. So ist das Prinzip des chemischen Antriebs
auf das des Elektrischen übertragbar, aber letzteres weitaus effizienter.
Der Antrieb an sich funktioniert folgendermaßen: In einer "Ionisationskammer"
dampfen von einer erhitzten Metallplatte Elektronen ab, diese werden
durch eine elektrische Spannung beschleunigt und prallen nun auf das
Xenon Gas. Dem Gas werden Elektronen aus der Hülle "geschlagen", damit
ist ein Ion, in diesem Falle ein Xenon-Ion entstanden. Dieses geladene
Ion kann nun als Treibstoff genutzt werden. Am Ende des Treibwerkes
befinden sich zwei Metallgitter, welche eine Spannung von ca. 1300
Volt erzeugen. Dort beschleunigen die Xenon-Ionen und werden mit mehr
als 30km*s-1 ausgestoßen (Abb.27).
Die Schubkraft ist dabei aber sehr gering, doch bei längeren Flugzeiten
wird sie durch die hohe Endgeschwindigkeit wieder ausgeglichen. Da
der Ionenantrieb bereits in der Praxis getestet und genutzt wird,
ist es durchaus vorstellbar, dass er innerhalb der nächsten 20 Jahren
durchaus den chemischen Antrieb ersetzten wird. Hier ist aber zu beachten,
dass der chemische Antrieb aufgrund seiner hohen Beschleunigung weiterhin
für den Start von der Erde und für Mission im erdnahen Raum unerläßlich
ist. Aber sobald die Reisezeit einige Wochen übersteigt, wird der
Ionenantrieb die erste Wahl sein. |
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Eine weitere Möglichkeit wurde im Prinzip schon vor
unserer Zeitrechnung genutzt. Das Segel. Der "einzige" Unterschied
besteht eigentlich nur in der Verwendung von Licht als treibende Kraft.
Das Licht, genauer gesagt, die Photonen üben einen Druck von ca. 1mg*m-2
aus. Dieser erscheint sehr gering, aber aufgrund des nicht vorhandenen
Luftwiderstandes im Weltall wird eine entsprechend ausgestattete Sonde
eine immer grössere Geschwindigkeit erreichen. Rein theoretisch würde
nach einer bestimmten Zeit logischerweise Lichtgeschwindigkeit möglich,
allerdings nimmt die Leuchtkraft der Sonne sehr schnell ab (Abb.28),
was Reisen außerhalb des Jupiters fast ausschließt. Ein weiters Problem
stellt das Segel selber dar. Es muss eine enorme Grösse haben, um
genügend Licht "einzufangen". Hierfür würden einmal kohlefaser-verstärkte
Folien, oder die japanische Variante, Seidenpapier zum Einsatz kommen
(Abb.29). Diese Segel müssten
aber Druck, Hitze und Kleinst-meteoriten standhalten können, da ein
Ausweichen ausser Frage steht. Eine weitere Variante des Sonnensegels
ist dessen Unterstützung mit einem Laser. So sollen Laser-Batterien
in der Erdumlaufbahn mit enormen Lichtdruck das Segel weiter beschleunigen.
Rechnerisch könnte ein Sonnensegler mit einem 1000km grossen Laser
im Rücken in 40 Jahren zum 4,32 Lichtjahren entfernten Stern Alpha
Centaurie gelangen, allerdings streut auch ein Laser-strahl mit zunehmender
Entfernung. Praktisch ist ein Sonnensegel also für lange Reisen wenig
zu gebrauchen, aber innerhalb des Sonnensystems und mit Unterstützung
eines Lasers ist es als Lasttransporter wohl geeignet. Es könnten
eine grosse Rolle beim Bau eines grossen Generationskreuzers spielen,
da solches ein Schiff, wenn es denn gebaut werden sollte, höchstwahrscheinlich
im Orbit um einen anderen Planten gebaut wird. So können Material
und Ausrüstung kostengünstig befördert werden. Auch in Verbindung
mit einer leichten Sonde könnte es sich sehr gut eigenen, um dem nahen
Weltraum einen Besuch abzustatten und um andere Sonnensysteme zu durchfliegen.
Theoretisch hat eine solche Sonde die Möglichkeit sich von Stern zu
Stern zu "hangeln", hierbei muss allerdings auch der Gegendruck des
Zielsternes beachtet werden. |
3.2.3. Der Materie-Antimaterieantrieb
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Anitmaterie ist das bekannteste und beliebteste Wort
der Science Fiction. Es ist der Stoff, welcher fiktive Raumschiffe
(Abb.30) von der einen Seite des
Universums auf die andere Seite bringt. Die NASA zieht Antimaterie
ernsthaft als Raketentreibstoff für Reisen innerhalb des Sonnensystems
in Erwägung. Ein Gramm Antimaterie würde soviel potentielle Energie
enthalten, wie 1.000 Space Shuttle Booster speichern. Es würden nur
winzige Bruchteile eines Gramms genügen, um ein 400 Tonnen Raumschiff
in 4 Monaten zum Mars und zurück zu bringen. Das Thema Antimaterie
beruht auf der Theorie, dass zu jedem Atom ein Antiatom existiert.
Diese Theorie wurde 1928 zum erstenmal vom englischen Physiker Paul
Dirac aufgestellt. Der amerikanische Physiker Carl David Anderson
wies 1932 das Positronteilchen nach, es ist das Gegenstück zum negativ
geladenen Elektron. Wenn nun Materie und Antimaterie aufeinander-treffen,
zerstrahlen sie sofort in Gammastrahlung, die a) für den Menschen
tödlich ist, aber b) auch als Energie genutzt werden kann. Hier werfen
sich gleich mehrere Probleme eines Materie-Antimaterieantriebs auf.
Erstens, woher die Antimaterie nehmen; zweitens, wie die Antimaterie
transportieren; und drittens, wie die Strahlung abschirmen. Zum ersten
Problem wäre zu sagen, dass die Herstellung von Antimaterie momentan
sehr teuer und aufwendig ist, und sich zudem noch im reinen Forschungsstatus
befindet. Das Prinzip an sich ist relativ einfach, aber die Herstellung
ist nur in Partikelbeschleunigern unter Vakuum möglich. Dabei werden
Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, treffen dann
auf einen Metallzylinder aus Iridium und setzen verschiedene Teilchen
frei. Zudem wird Energie frei, diese Energie wandelt sich sofort in
Teilchen und Anti-teilchen um, es ist sozusagen die Gegenreaktion
zur Verschmelzung von Materie und Antimaterie. Durch verschiedene
komplizierte Magnetfelder werden diese dann getrennt, um die Rückbildung
zu unterbinden. Die Antiteilchen werden in einem Speicherring von
mehreren Kilometern Umfang ständig mit Magnetfeldern im Vakuum gehalten,
da sie ja wie schon erklärt, nicht mit Materie in Berührung kommen
dürfen. Solch eine Anlage befindet sich im europäischen Kernforschungszentrum
"Cern" in Genf (Abb.31), hier
wurden auch zur Jahreswende 1995/96 erstmalig, Antiprotonen und Positronen
zu Anti-wasserstoffatomen zusammengefügt. Eine industrielle Herstellung
von Anti-materie zur Nutzung als Treibstoff ist mit den heutigen Mitteln
nicht möglich, man würde Millionen von Jahren brauchen um brauchbare
Mengen herzu-stellen, ganz zu schweigen von den damit verbundenen
Kosten. Das zweite Problem, der Transport, ist durchaus lösbar. Allerdings
würde dies wiederum enormen Energie- und Platzaufwand nach sich ziehen.
Man würde wie in den Partikelbeschleunigeren sehr starke Magnetfelder
benötigen, um die Teilchen schwebend aufzubewaren (Abb.32).
Ein Durchbruch wäre es, wenn im Weltall bereits Antimaterie nachgewiesen
werden könnte. Tatsächlich wurde bereits beim Zentrum der Milchstrasse
eine 4000 Lichtjahre grosse Positronen-wolke (Abb.33)
entdeckt, aber ein sicherer Beweis für das Vorhandensein von Antimaterie
ist das nicht, da nur die von ihr ausgehende charakteristische Strahlung
einer Elektron-Positron-Verschmelzung nachgewiesen wurde. Die Abschirmung
der Strahlung hingegen dürfe das geringste Problem darstellen. Der
Antrieb selbst wird nach dem Prinzip der chemischen Antriebe funktionieren,
nur dass hierbei nicht der Treibstoff verbrannt wird, sondern die
Antimaterie in einer Brennkammer gezielt zur Reaktion mit der Materie
gebracht wird, und die reslutierende Energie zum Antrieb genutzt wird
(Abb.34). Sobald also eine Antimaterie-Quelle
bzw. eine günstige effiziente Methode zur Herstellung von Antimaterie
gefunden wird, erscheint ein Materie-Antimaterie Antrieb durchaus
realistisch, bis dahin muss allerdings noch viel Forschung betrieben
werden. |
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Dies waren nur die aussichtsreichsten Möglichkeiten
für einen Antrieb. Es gibt noch weiter Möglichkeiten, einige davon
sind sehr gewagt, andere wurden bereits wieder verworfen, der Vollständigkeit
wegen möchte ich diese auch noch einmal kurz anschneiden. |
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Projekt Orion war ein Antriebssystem, welches sich mit
Atombomben-explosionen, zirka 100m hinter dem Schiff (Abb.35),
fortbewegen sollte. Das Schiff sollte also auf der Druckwelle "reiten".
1958 begann man mit der intensiven Forschung und baute einige Testmodelle,
viele von ihnen wurden zerstört, aber im November 1959 gelang mit
"normalen" Bomben ein 100m Testflug. Die grössten Probleme wurden
gelöst und ein solcher Antrieb wäre durchaus möglich gewesen, allerdings
wurde das Programm 1965 eingestellt, obwohl einige bekannte Physiker
durchaus der Meinung waren, dass man es realisieren könnte. Es kostete
insgesamt 11 Millionen US-Dollar. |
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Von 1973 bis 1978 arbeitete man an einer Sonde (Abb.36)
welche mit einem neuen Antriebssystem ausgestattet sein sollte, diese
würde 12% der Licht-geschwindigkeit erreichen. Angetrieben durch eine
Deuterium und Helium3 Reaktion sollte sie Informationen über andere
Sternensysteme liefern. Hier scheiterte es am Helium3, welches auf
der Erde kaum vorhanden ist, aber auf dem Mond und in der Atmosphäre
des Jupiters. Man müsste also auf dem Mond oder Jupiter "tanken",
bevor man die Sonde losschicken könnte. |
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In diesem Konzept, welches 1960 von Rober Bussard erdacht
wurde, wird interstellarer Wasserstoff als Treibstoff genutzt. Der
Wasserstoff wird ionisiert und dann mit einem riesigen, trichterähnlichen
elektromagnetischem Feld eingesammelt (Abb.37).
Dieser Wasserstoff könnte dann zur Kernfusion genutzt werden. Die
Kernfusion selber stellt aber auch ein Problem dar, welches noch gelöst
werden muss. Als Alternative könnte das eingefangene interstellare
Gas als "normaler" Treibstoff dienen. Die Hauptschwierigkeiten liegen
aber im Aufbau eines solch starken Magnetfeldes, auch muss es weiterhin
aufrecht-erhalten werden. Zudem muss es riesige Ausmaße haben, um
eine brauchbare Menge an Wasserstoff einzusammeln. |
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Zu guter Letzt darf auch nicht der so oft genannte,
und aus Sience Fiction Serien bekannte, Warpantrieb fehlen. Allerdings
stellt dieser in seinen verschiedenen Variationen ein sehr komplexes
Thema dar. Die Idee hatte 1934 der Sience Fiction Schriftsteller John
W. Campbell. Tatsächlich betrachtet die NASA diese Theorie in ihren
Forschungen. Nach John W. Campbell ist unser Raum in einen höheren
eingelagert. Wenn man nun unseren Raum zusammen-falten könnte, würde
sich eine Abkürzung durch den darüber liegenden Raum bilden. Diese
Theorie ähnelt der der Wurmlöcher, welche auch als "Abkürzung" dienen
sollen. Unter Wurmlöcher versteht man grob gesagt nichts anderes,
als kleine schwarze Löcher. Der Warpantrieb beruht im Moment nur auf
Spekulationen, und er wird innerhalb der nächsten Jahre wohl kaum
näher rücken. |
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