Schauen Sie, diese Rakete ist nicht gewöhnlich!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Hanmu Diaomeng (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Für eine Weltraummacht wie mein Land werden jedes Jahr viele Raketen erfolgreich gestartet, was in der Raumfahrtbranche meines Landes mittlerweile zur „gängigen Praxis“ geworden ist.

Der erfolgreiche Start der Rakete Suzaku-2 Yao-2 am 12. Juli 2023 hat jedoch hitzige Diskussionen ausgelöst. Warum ist das so?

Die Trägerrakete Suzaku-2 Yao-2 wurde vom Jiuquan Satellite Launch Center in meinem Land gestartet

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Raketen mit flüssigem Sauerstoff und Methan: ein neuer Versuch verschiedener Länder in der Weltraumforschung

Es stellt sich heraus, dass dies die weltweit erste Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete ist, die erfolgreich eine Nutzlast in die vorgesehene Umlaufbahn befördert hat.

China ist nicht das einzige Land, das Raketen mit flüssigem Sauerstoff und Methan entwickelt. Auch in anderen großen Ländern wird intensiv an der Entwicklung dieser Technologien gearbeitet. So starteten beispielsweise in der ersten Hälfte dieses Jahres zwei Unternehmen in den USA zwei Flüssigsauerstoff- und Methanraketen, nämlich Terran-1 und Starship.

Trägerrakete Terran-1 mit flüssigem Sauerstoff und Methan

(Fotoquelle: Guangming Online)

Die Starts beider Raketen durch die USA waren jedoch erfolglos.

An dieser Stelle stellen Sie sich vielleicht folgende Frage: Wenn wir doch bereits über Raketentriebwerke mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin sowie mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff verfügen, warum beeilen sich dann China und die USA jetzt, Raketentriebwerke mit flüssigem Sauerstoff und Methan zu entwickeln?

Wenn der Flüssigsauerstoff-Methan-Motor so gut ist, warum wurde er dann nicht gleich entwickelt? Oder warum hat man vor Jahrzehnten, bevor man Raketentriebwerke mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff entwickelte, nicht zuerst Triebwerke mit flüssigem Sauerstoff und Methan entwickelt?

Welche Vorteile hat flüssiges Sauerstoffkerosin gegenüber flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff?

Während des Zweiten Weltkriegs verwendete die deutsche V2-Rakete flüssigen Sauerstoff und Ethanol als Treibstoff. Ethanol ist das, was wir allgemein als Alkohol bezeichnen.

Als Kraftstoff ist wasserhaltiger Alkohol offensichtlich nicht gut geeignet. Nach dem Zweiten Weltkrieg begannen die Länder mit der Entwicklung neuer Flüssigtreibstoffe.

So entstanden die beiden Wege mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin sowie mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff, und beide Wege waren bislang erfolgreich.

Ein raffiniertes Kerosin "RP-1", Raketentreibstoff

(Bildquelle: Maxhaot)

Der Grund, warum man sich anfänglich für Kerosin statt Methan entschied, lag darin, dass Kerosin zu dieser Zeit bereits weit verbreitet war und in großen Mengen verwendet wurde . Die großflächige Nutzung von Erdgas erfolgte weltweit erst in den letzten Jahrzehnten.

Aus Kostengründen wird man sich zwangsläufig für Kerosin statt Methan entscheiden. Selbst wenn die Geschichte noch einmal von vorne beginnen könnte, würden die Wissenschaftler immer noch Kerosin anstelle von flüssigem Sauerstoff und Methan wählen, deren Herstellung aufwändigere Technologien erfordert und teurer ist.

Daher wurden vom Ende des Zweiten Weltkriegs bis heute sowohl Flüssigsauerstoff-Kerosin- als auch Flüssigsauerstoff-Flüssigwasserstoff-Verfahren vollständig entwickelt. Nachdem zwei geeignete Routen erkundet wurden, müssen die Leute nicht nach anderen Routen suchen.

Flüssigsauerstoff und Methan: Raketenbergung einfacher machen

Wenn flüssiges Sauerstoffkerosin gegenüber flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff so viele Vorteile bietet, warum wird dann immer noch der Weg über flüssiges Sauerstoffmethan verfolgt?

Denn die Anforderungen der Menschheit an Raketentriebwerke sind deutlich gestiegen.

Bisher mussten Wissenschaftler lediglich sicherstellen, dass ein Raketentriebwerk einmal verwendet werden kann. Nach einem erfolgreichen Einsatz war es egal, was mit dem Raketentriebwerk geschah; es würde sowieso einfach auf den Boden oder ins Meer fallen.

Doch nun hofft man, dass Raketentriebwerke mehr als zehnmal oder sogar hundertmal wiederverwendet werden können. Derzeit sind Flüssigsauerstoff-Kerosin-Triebwerke eher ungeeignet, da es bei der Verbrennung von Kerosin zu Kohlenstoffablagerungen und Verkokung im Inneren des Raketentriebwerks kommt , was dessen Wiederverwendung erheblich erschwert.

Derzeit müssen die Triebwerke von Flüssigsauerstoff-Kerosin-Raketen nach der Bergung gründlich gereinigt werden, bevor sie weiter verwendet werden können.

Verwenden Sie einen Automotor, um Kohlenstoffablagerungen zu demonstrieren. Natürlich können die Kohlenstoffablagerungen in einem Raketentriebwerk nicht so schwerwiegend sein.

(Bildnachweis: KINGKAR)

Flüssiger Sauerstoff und Methan sind unterschiedlich; es handelt sich um hochflüchtige Brennstoffe . Nach dem Einsatz bleiben von diesem Treibstoff nur äußerst selten Rückstände im Raketentriebwerk zurück , was den logistischen Wartungsaufwand bei wiederverwendbaren Raketen erheblich reduziert.

Wenn ein Raketentriebwerk in Betrieb ist, kann die maximale Gastemperatur 3300 Grad Celsius überschreiten, was den Schmelzpunkt der meisten metallischen Materialien übersteigt.

Um eine Beschädigung des Triebwerks durch hohe Temperaturen zu vermeiden, muss das Raketentriebwerk gekühlt werden. Es gibt viele Kühlmethoden. Die derzeit gängige Methode ist die „regenerative Kühlung“ , bei der Kraftstoff zur Kühlung verwendet wird .

Die Temperatur von flüssigem Sauerstoff liegt bei etwa minus 183 Grad Celsius, was einer ultraniedrigen Temperatur zu entsprechen scheint und ihn als Kühlmittel bestens geeignet macht. Aufgrund der hohen Aktivität von Sauerstoff reagiert er jedoch leicht mit Metallen oder anderen Materialien, aus denen Raketentriebwerke bestehen .

Daher wird im Allgemeinen kein flüssiger Sauerstoff als Kühlmittel verwendet, sondern Kraftstoff als Kühlmittel. Konkret strömt ein Teil des Treibstoffs zunächst um die Triebwerksdüse herum hin und her, wodurch zwangsläufig eine enorme Wärmemenge abgeführt wird und das Raketentriebwerk gekühlt wird.

„Tian Que“ 80-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Motor

(Fotoquelle: People's Daily Online)

Im Vergleich zu Kerosin bei Raumtemperatur und flüssigem Methan ist letzteres definitiv besser, da seine Temperatur bei etwa minus 162 Grad Celsius liegt und die Kühlwirkung sofort um mehr als das Dreifache erhöht ist.

Das heißt, um die Rakete wiederverwendbar zu machen, muss sie mit höchster Effizienz gekühlt werden, und in Bezug auf die Kühlung sind flüssiger Sauerstoff und Methan viel besser als flüssiger Sauerstoff und Kerosin.

Flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff: Warum nicht mich wählen?

Durch die obige Analyse wissen wir, dass flüssiger Sauerstoff und Kerosin zu Kohlenstoffablagerungen und Verkokung neigen, während dies bei flüssigem Sauerstoff und Methan nicht der Fall ist. Doch stellt sich erneut die Frage: Flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff bilden weder Kohlenstoffablagerungen noch Koks. Warum also nicht flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff verwenden? Darüber hinaus ist die Temperatur von flüssigem Wasserstoff bei der regenerativen Kühlung niedriger. Wäre die Kühlwirkung also nicht besser als die von flüssigem Methan?

Ja, die obigen Aussagen sind alle vernünftig, aber flüssiger Wasserstoff bringt tatsächlich viele Probleme mit sich, die schwer zu überwinden sind.

Eines der Probleme besteht darin, dass flüssiger Wasserstoff eine viel geringere Dichte als flüssiger Sauerstoff und Methan hat, was zu einem viel größeren Volumen führt. Ein weiteres Problem ist, dass die Temperatur von flüssigem Wasserstoff mit minus 252,8 Grad Celsius zu niedrig ist. Es ist zu schwierig und daher sehr kostspielig, mit solch niedrigen Temperaturen umzugehen.

Der große braune Kasten unter dem Space Shuttle wird als Außentank bezeichnet. Der größte Teil des Volumens besteht aus flüssigem Wasserstoff.

(Bildnachweis: NASA)

Darüber hinaus beträgt die Temperatur von flüssigem Sauerstoff nur etwa minus 183 Grad Celsius, während die von flüssigem Wasserstoff minus 252,8 Grad Celsius beträgt, also ein Temperaturunterschied von etwa 70 Grad Celsius. Daher müssen die beiden Behälter, in denen flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff auf der Rakete gelagert werden, gut isoliert sein, da es sonst zu einer Gefrierung des flüssigen Sauerstoffs und zu einem Feststoff kommen kann .

Wenn flüssiger Sauerstoff und Kerosin verwendet werden, müssen diese ebenfalls isoliert werden, da sonst der flüssige Sauerstoff das Kerosin zu einem Feststoff gefrieren lässt.

An diesem Punkt zeigt sich die Überlegenheit von flüssigem Sauerstoff und Methan, denn die Temperatur von flüssigem Sauerstoff ähnelt der von flüssigem Sauerstoff, sodass man sich keine Sorgen machen muss, dass das eine das andere zu einem Feststoff gefriert.

Ursprünglich gab es also zwei getrennte Boxen, eine für flüssigen Sauerstoff und eine für Kerosin. Aber jetzt können wir einfach eine große Kiste daraus machen, solange es in der Mitte der großen Kiste eine zusätzliche Trennwand gibt, eine Seite ist mit flüssigem Sauerstoff und die andere Seite mit flüssigem Methan gefüllt. Diese Struktur wird als „Speichertank mit gemeinsamem Boden“ bezeichnet.

Es besteht kein Zweifel, dass der gemeinsame Bodentank das Gewicht des Tanks effektiv reduzieren und die Länge des Tanks verkürzen kann, wodurch das Gewicht der Rakete reduziert und die Tragfähigkeit erhöht wird.

An diesem Punkt ist das Geheimnis vollständig gelüftet. Im Vergleich zu flüssigem Sauerstoff und Kerosin sowie flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff haben flüssiger Sauerstoff und Methan viele Vorteile. Da in verschiedenen Ländern der Bedarf an Raketen steigt, rückt die Entwicklung von Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerken zunehmend in den Fokus der Luft- und Raumfahrtforschung.