3. Die Antriebsarten
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
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
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
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
3.2.1. Der Ionenantrieb
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.
3.2.2. Das Sonnensegel
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
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.
3.2.4. Weiter Konzepte
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.
3.2.4.1. Orion
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.
3.2.4.2. Daedalus
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.
3.2.4.3. Ramjet
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.
3.2.4.4. Warpantrieb
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.