Muss auch die Luft- und Raumfahrtindustrie Energie sparen und Emissionen reduzieren? Die Geheimnisse der grünen Raketenrevolution aufdecken

Die Zahl der Starts von Trägerraketen hat sich in den letzten Jahren weltweit rasant erhöht und sich von 91 im Jahr 2017 auf 233 im Jahr 2023 mehr als verdoppelt. Mit jedem Start versucht die Menschheit, ein neues Kapitel in der Raumfahrt zu schreiben, und die Auswirkungen von Trägerraketen auf die Umwelt der Erde rücken in den Fokus der Öffentlichkeit. Der Staatsrat hat vor Kurzem den „Aktionsplan zur Energieeinsparung und CO2-Reduzierung 2024–2025“ herausgegeben, der viele Menschen dazu veranlasst hat, den Zusammenhang zwischen dem Boom der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Energieeinsparung bzw. CO2-Reduzierung zu überdenken. Wie können wir diesen blauen Planeten schützen und dafür sorgen, dass Weltraumforschung und Umweltschutz Hand in Hand gehen?

01 Welche Auswirkungen hat ein Raketenstart auf die Umwelt?

Die giftigen Gase, Abgase und Abfallprodukte, die beim Start von Raketen entstehen, insbesondere wenn der Treibstoff bei Raumtemperatur verwendet wird, haben gewisse Auswirkungen auf die Umwelt . Im Moment der Zündung und des Starts erzeugen die durch den brennenden Raketentreibstoff erzeugten lodernden Flammen viele verschiedene Emissionen.

Zu diesen Stoffen zählen Stickoxide, Sulfide und Kohlenmonoxid, die für den menschlichen Körper unmittelbar schädlich sind. Chlor, Aluminiumoxid und Stickoxide können die Ozonschicht zerstören und werden seit 1996 streng überwacht und eingeschränkt. Kohlendioxid und Stickoxide absorbieren mehr Wärme und gelten als Treibhausgase. Darüber hinaus können Sulfide und Stickoxide sauren Regen verursachen, der für verschiedene Organismen schädlich ist.

Die von Feststoffraketentriebwerken erzeugten Abgase enthalten Chlor und Aluminiumoxid, einzigartige Schadstoffe, die bei Weltraumaktivitäten entstehen . Da sie als „Ozonkiller“ gelten, erregten sie als erste die Aufmerksamkeit der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft.

Auch der Rauch aus Raketenstartabgasen hat erhebliche Auswirkungen auf die Ozonschicht . Wenn eine Rakete die Stratosphäre durchquert, bleiben der Rauch und Staub ihrer Abgase dort bis zu zwei bis drei Jahre lang. Nur so kann der Mensch direkt Aerosolverschmutzung in der Stratosphäre verursachen.

Emissionen sind nicht die einzigen Auswirkungen auf die Umwelt, die Trägerraketen haben. Da es sich bei den meisten Raketen um Einwegraketen handelt, wirken sich auch die bei ihrer Herstellung entstehenden Treibhausgasemissionen auf die Umwelt aus. Auch weggeworfene Teile, die auf die Erdoberfläche fallen, wie etwa Reste von Festbrennstoffen, Raketenfragmente usw., verursachen Verschmutzungen im Meer oder an Land.

02 Der umweltfreundliche Weg des Raketenstarts

Natürlich werden die Luft- und Raumfahrtforscher nicht untätig zusehen.

Wenn Sie schon einmal die Live-Übertragung eines Raketenstarts verfolgt haben, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass im Moment des Abhebens innerhalb weniger Sekunden eine große Menge weißen Nebels aus der Startplattform strömt. Der Einsatz von Wasser dient nicht nur der Motorkühlung, dem Schutz der Startrampe und der Lärmreduzierung, sondern auch dem Umweltschutz. Nach dem Start einer Rakete bleiben auf der Startrampe oft viel Staub und Chemikalien zurück. Durch die Verwendung großer Wassermengen zum Spülen und Reinigen können Sie weitere Umweltverschmutzung verhindern und dazu beitragen, dass der nächste Start reibungslos verläuft.

Die Forscher werden außerdem katalytische Reduktion, Adsorption und andere Methoden zur Behandlung der bei Raketenstarts entstehenden Abgase einsetzen. Als Shenzhou III im Jahr 2002 gestartet wurde, nahm das Jiuquan Satellite Launch Center erstmals das System zur Behandlung der Treibstoffabgase von Weltraumstartplätzen in Betrieb. Das beim Befüllen des Raketentreibstoffs entstehende Abgas wurde zur Reinigungsanlage transportiert, wo es mit dem Brennmittel vermischt und verbrannt wurde, um das giftige Abgas zu reinigen.

Um die giftigen Gase, die beim Start von Raketen mit Raumtemperatur-Treibstoff entstehen, vollständig zu vermeiden, ersetzt mein Land Raketen mit Raumtemperatur-Treibstoff durch eine neue Raketengeneration, die saubere kryogene Treibstoffe verwendet. Beispielsweise basiert die Rakete „Langer Marsch 7“ auf der Rakete „Langer Marsch 2F“, allerdings wurde der mit Stickstofftetroxid/Undimethylhydrazin betriebene Raumtemperatur-Treibstoffmotor der Rakete durch einen mit Flüssigsauerstoff/Kerosin betriebenen Niedertemperatur-Treibstoffmotor ersetzt. Die Vorteile des Austauschs machen den Treibstoff nicht nur umweltfreundlich, sondern verbessern auch die Tragfähigkeit der Rakete, senken die Treibstoffkosten und ebnen den Weg für eine zukünftige Wiederverwendbarkeit.

Am 29. Mai 2021 wurde die Trägerrakete Langer Marsch 7 Yao-3 mit dem Frachtraumschiff Tianzhou-2 an Bord im Weltraumstartzentrum Wenchang in Hainan gezündet und gestartet. Aufmerksame Beobachter werden feststellen, dass sich zum Zeitpunkt der Zündung der Rakete am Heck der „Popeye“ Langer Marsch 7 aufgrund der unvollständigen Verbrennung des Stickstofftetroxids kein roter „Rauch“ bildete, sondern weißer „Rauch“ wie Zuckerwatte.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua (Foto von Ju Zhenhua)

Für den Start einer Rakete wird hochwertiger Treibstoff benötigt, um Energie zu liefern. Um den Prozess noch umweltfreundlicher zu gestalten, muss auch die Methode zur Kraftstoffherstellung „erneuerbar“ sein. In der aktuellen Luft- und Raumfahrttechnik verwenden Raketen als Flüssigtreibstoff üblicherweise Kohlenwasserstoff-Kraftstoff, der durch Dampfreformierung hergestellt wird. Sein Prinzip besteht darin, Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und Öl mit Wasserdampf reagieren zu lassen, um Wasserstoff und Kohlendioxid sowie Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid zu erzeugen. Wenn Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird, bei der Strom aus Solar- und Windenergie zur Zersetzung von Wasser verwendet wird, ist der produzierte „grüne Wasserstoff“ sauberer . Einige Unternehmen in Europa und Japan verwenden sogar aus Kuhdung gewonnenes verflüssigtes Biomethan als Treibstoff für Raketentriebwerke.

03 Zhuque-2 übernimmt die Führung: Kommerzielle Raumfahrt bewegt sich in Richtung grüner und nachhaltiger Entwicklung

Der Raketentreibstoff ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit einer Rakete. Der Treibstoff verbrennt schnell im Raketentriebwerk und hilft der Rakete beim Abheben, Beschleunigen und Ändern ihrer Umlaufbahn. Die Leistung des Treibstoffs wirkt sich direkt auf den Schub und die Geschwindigkeit der Rakete aus.

Derzeit verwenden die meisten gängigen Raketen flüssigen Sauerstoff/Kerosin-Treibstoff, der zwar kostengünstig ist und einen hohen spezifischen Impuls hat, aber anfällig für Kohlenstoffablagerungen und Verkokung ist. Flüssiger Wasserstoff/Flüssiger Sauerstoff als Treibstoffe verfügen zwar über einen hohen spezifischen Impuls und saubere Verbrennungsprodukte, ihre Dichte ist jedoch zu gering, was die Rakete zu groß macht und einen alleinigen großtechnischen Einsatz in der Grundphase derzeit schwierig macht.

Flüssiger Sauerstoff/Methan-Treibstoff wird aufgrund seiner hohen Verbrennungseffizienz, seines umweltfreundlichen Charakters, seiner geringen Kosten und seiner einfachen Herstellung in Ländern auf der ganzen Welt zunehmend als eines der idealen Materialien für Raketentriebwerke anerkannt.

Flüssigsauerstoff ist die flüssige Form von Sauerstoff, die ausreichend Oxidationsmittel für Raketentriebwerke liefern kann. Methan ist nach Wasserstoff die zweitsauberste Verbindung. Es verbrennt nicht nur stabil, sondern erzeugt auch fast keine Kohlenstoffablagerungen, was das Recycling und die Wiederverwendung des Motors erleichtert.

Allerdings ist die Entwicklung von Flüssigsauerstoff-/Methanraketen nicht einfach. Es sind technische Herausforderungen in vielen Bereichen wie Motordesign, Materialauswahl und Kraftstofflagerung damit verbunden. Weltweit befinden sich Flüssigsauerstoff- und Methanraketen in einer Phase rasanter Forschung und Entwicklung, und auch chinesische Wissenschaftler erzielen ständig Durchbrüche.

Am 12. Juli 2023 erreichte die chinesische Trägerrakete Zhuque-2 Yao-2 erfolgreich die Umlaufbahn. Dies ist die weltweit erste Rakete mit flüssigem Sauerstoff/Methan, die erfolgreich in die Umlaufbahn eingetreten ist , und es ist zudem die erste Trägerrakete in Chinas ziviler Luft- und Raumfahrtindustrie, die mit einem unabhängig entwickelten Flüssigkeitstriebwerk erfolgreich in die Umlaufbahn eingetreten ist. Dieses Meilenstein-Ereignis stellt einen weiteren wichtigen Schritt vorwärts für Chinas grüne Luft- und Raumfahrtindustrie dar.

Die Trägerrakete Suzaku-2 Yao-2 wurde erfolgreich gestartet.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua (Foto von Wang Jiangbo)

Wie bereits erwähnt, entstehen bei der Herstellung von Raketen selbst große Mengen Kohlendioxid und Umweltverschmutzung. Könnten Raketen wiederverwendet werden, würden sich die Emissionen aus ihrer Herstellung über die gesamte Lebensdauer der Rakete verteilen und die Kosten für den Transport ins All erheblich senken. Als nächster Schritt nach Suzaku-2 macht auch die wiederverwendbare Rakete Suzaku-3, die ebenfalls flüssige Sauerstoff-/Methan-Treibstoffe verwendet, stetige Fortschritte. Am 19. Januar 2024 absolvierte die wiederverwendbare Rakete Suzaku-3 ihren ersten groß angelegten vertikalen Start- und Landeflugtest. Die Rakete soll im Jahr 2025 erstmals flugfähig sein.

Um den Bedarf der zukünftigen groß angelegten Weltraummissionen Chinas weiter zu decken, hat China außerdem die Entwicklung eines 200 Tonnen schweren Vollstrom-Flüssigsauerstoff-/Methanmotors mit gestuftem Verbrennungszyklus durchgeführt . Die Demonstration des Motorschemas wurde abgeschlossen und der Heißtest des Brennerzünders, der Heißtest der skalierten Teile des Gasgenerators und die Heißtestbewertung der skalierten Teile der Schubkammer wurden erfolgreich abgeschlossen.

Die Menschen sehnen sich nach den weiten Himmeln und sind begierig darauf, die Geheimnisse tief im Universum zu lüften. Dabei müssen wir nicht nur den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt vorantreiben, sondern auch grüne Konzepte in jedem Aspekt der Weltraumforschung tief verankern. Wir haben Grund zu der Annahme, dass die Macht der Wissenschaft und Technologie den Weg der Weltraumforschung sauberer und nachhaltiger machen kann und es uns ermöglicht, zwischen den Sternen und den Meeren Spuren menschlicher Weisheit und Zivilisation zu hinterlassen und uns gleichzeitig für immer für den Respekt und den Schutz der Natur einzusetzen.

Autor: Yu Yuanhang, leitender Ingenieur, Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering

Gutachter: Pang Zhihao, Chefexperte für wissenschaftliche Kommunikation der National Space Exploration Technology

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.

Das Titelbild dieses Artikels stammt aus der Copyright-Bibliothek. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen