Musks „Starship“-Start scheiterte, doch der „Raptor“-Motor ist noch immer epochal

Am 20. April 2023 zerbrach die von Musks Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX) entwickelte superschwere Rakete „Starship“ drei Minuten nach dem Start unerwartet und explodierte in großer Höhe. Musk sagte, das Unternehmen werde aus seinen Erfahrungen lernen und in einigen Monaten einen erneuten Start versuchen. Obwohl der Start von „Starship“ scheiterte, erregte der verwendete Motor „Raptor“ dennoch große Aufmerksamkeit und wurde als bahnbrechendes Produkt gefeiert.

Das diesmal gestartete Starship-System besteht aus zwei Teilen, dem superschweren Booster unten und dem Starship-Raumschiff darüber. Der superschwere Booster verfügt über 33 Triebwerke und das darüber liegende Raumschiff Starship über 6. Bei diesen 39 Triebwerken handelt es sich allesamt um Raptors. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die drei Triebwerke des Raumfahrzeugs über etwas größere Düsen verfügen, um sie für den Betrieb in einer Vakuumumgebung besser geeignet zu machen.

Der Raptor-Motor ist ein Flüssigsauerstoff-Methan-Motor, während die gängigen Motoren auf dem Markt derzeit Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff sowie Flüssigsauerstoff-Kerosin sind. Beispielsweise verwendet die Rakete „Langer Marsch 5“, die wir zum Starten der Raumstation verwenden, für die Kernstufe einen Motor, der mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben wird, und für die Booster-Rakete wird flüssiges Sauerstoff-Kerosin verwendet. Auch das Merlin-Triebwerk, das in Musks äußerst erfolgreicher Falcon-9-Rakete zum Einsatz kommt, besteht aus flüssigem Sauerstoff und Kerosin. Da die Falcon 9 so erfolgreich war, stellt sich die Frage, warum Musk einen neuen Technologiebaum erschließen und Methan als Treibstoff verwenden möchte.

Vergleichen wir diese Kraftstoffe. Flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff sind die effizientesten Raketentreibstoffe, ihre Konstruktion ist jedoch ebenfalls schwierig. Der Hauptgrund besteht darin, dass Wasserstoffmoleküle sehr klein sind und in Strukturen wie Pumpen leicht austreten. Sie sind außerdem extrem entflammbar und explosiv und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie sofort explodieren. Die Temperatur von flüssigem Wasserstoff ist sehr niedrig und er ist schwierig zu handhaben. Sein Siedepunkt liegt bei minus 252 Grad Celsius, also nicht weit vom absoluten Nullpunkt entfernt und niedriger als der Gefrierpunkt von flüssigem Sauerstoff. Das heißt, wenn der Tank für flüssigen Wasserstoff und der Tank für flüssigen Sauerstoff nahe beieinander platziert werden, gefriert der flüssige Sauerstoff. Und Wasserstoff hat eine sehr geringe Dichte, was bedeutet, dass ich einen sehr großen Tank brauche, um ihn aufzunehmen, also muss die Rakete dick und groß sein.

Flüssigsauerstoff-Kerosin ist nicht so effizient wie flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff, aber der Konstruktionsaufwand ist geringer und der Preis des Kraftstoffs ist viel niedriger. Allerdings neigt Kerosin leicht zur Verkokung, ähnlich wie die Kohlenstoffablagerungen beim Autofahren. Bei einmaliger Verwendung ist das kein großes Problem, beim Recycling wird es jedoch problematischer. Wenn ein komplexerer und effizienterer geschlossener Kreislauf eingeführt wird, wird es schwieriger, ihn wiederherzustellen und zu reinigen. Daher verwendet das Merlin-Triebwerk der SpaceX Falcon 9 immer noch den primitivsten Gasgeneratorzyklus, einen offenen Zyklus.

Wir können sehen, dass sich neben der Düse ein kleines Rohr befindet, durch das der Gasgenerator ausströmt. Die Leistung von Methan liegt zwischen der von Kerosin und flüssigem Wasserstoff, und jede Leistung erfordert einen moderaten Ansatz. Obwohl flüssiges Methan ebenfalls bei niedrigen Temperaturen gelagert werden muss, was nicht so praktisch ist wie Kerosin, ist seine Lagertemperatur mit der von flüssigem Sauerstoff vergleichbar. Die beiden Tanks können nebeneinander aufgestellt und durch eine Wand getrennt werden. Dies wird als gemeinsamer Bodentank bezeichnet und das Strukturgewicht der Rakete kann reduziert werden (Flüssigsauerstoff- und Kerosinraketen verwenden jetzt auch einen gemeinsamen Bodentank mit Wärmedämmschaum in der Mitte).

Für Musk liegt der größte Reiz darin, dass Methan keinen Koks bildet, sich besonders gut zur Wiederverwendung eignet, nach der Verbrennung nicht einmal gereinigt werden muss und schnell wieder gezündet werden kann. Musk sagte einmal, wenn man Raketen sehr billig bauen wolle, sei eine vollständige und schnelle Wiederherstellung sehr wichtig. Bei der sogenannten vollständigen Rückgewinnung wird beim Start einer Rakete außer dem Treibstoff nichts weggeworfen und alles kann wiederverwendet werden, was auf jeden Fall Geld spart. Die sogenannte schnelle Erholung ist genau wie bei unseren aktuellen Zivilflugzeugen. Innerhalb von ein bis zwei Stunden nach der Landung fliegt es wieder weg. Da Raketen wie zivile Verkehrsflugzeuge sind, verdienen sie Geld, wenn sie am Himmel fliegen, und geben Geld aus, wenn sie zur Wartung am Boden geparkt sind. Je kürzer die Standzeit am Boden und je länger die Flugzeit am Himmel ist, desto geringer sind ihre Betriebskosten. Daher entspricht ein Motor wie der Flüssigsauerstoff-Methan-Motor, der leicht zu warten ist und nach einem Flug wieder aufgetankt und wieder verwendet werden kann, voll und ganz den Erwartungen von Ma. Natürlich hat er einen fantastischeren Grund: Er möchte in der Zukunft den Mars kolonisieren. Auf dem Mars gibt es kein Kerosin, aber Wasser und Kohlendioxid, aus denen Methan hergestellt werden kann. Daher muss er in Zukunft möglicherweise eine Methananlage auf dem Mars eröffnen.

Das Bild stammt von Tuchong.com

Natürlich ist die Verwendung von Methan, obwohl relativ neu, nicht nur dem Scorpion vorbehalten. Was den Raptor-Motor wirklich einzigartig macht, ist der Motorzyklusmodus. Was ist der Motorzyklusmodus? Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, wie man sich mit Treibstoff versorgt. Sie wissen, dass der von einem Raketentriebwerk benötigte Treibstoffdurchfluss extrem groß ist. Nehmen Sie als Beispiel den RS25-Motor im Space Shuttle und SLS. Seine Kraftstoffpumpe kann ein Standardschwimmbecken in mehr als drei Minuten entleeren. Wer treibt eine Pumpe mit einer so großen Förderleistung an? Die Antwort ist sein eigener Treibstoff. Der einfachste Gasgeneratorzyklus, also der Startzyklus, besteht darin, einen Teil des Brennstoffs und des Oxidationsmittels separat abzuzweigen, sie zu zünden, sie die Turbine rotieren zu lassen und dann die Brennstoffpumpe anzutreiben, um den Brennstoff in die Hauptbrennkammer zu pumpen. Der vordere Teil, der separat brennt, ist der Gasgenerator. Der Hauptzweck des Brennstoffs und Oxidationsmittels besteht hier darin, die Turbine anzutreiben und anschließend abzulassen. Wir können unser Chang Zheng 2F-Triebwerk, das US-amerikanische Saturn V-Triebwerk und das Falcon 9-Triebwerk beobachten. Neben der Raketendüse befindet sich ein kleines Rohr, das das Gas im Gasgenerator ableitet. Das Abgas kann keinen effizienten Schub erzeugen, daher entsteht ein gewisser Abfall.

Um den Motor effizienter zu machen, wird ein gestufter Verbrennungszyklus, auch Hochdruck-Nachverbrennungszyklus genannt, entwickelt. Dies entspricht der Weiterleitung des einmal verbrannten und durch die Turbine gepressten Verbrennungsgases zur erneuten Verbrennung in die Brennkammer. Es verbrennt zweimal (man spricht deshalb von einer stufenweisen Verbrennung) und es wird weniger Energie verschwendet. Unser Langer Marsch 5 verwendet einen sauerstoffreichen, abgestuften Verbrennungszyklus, was bedeutet, dass in der Vorbrennkammer viel Sauerstoff vorhanden ist. Anschließend treiben diese Verbrennungsgase, die eine große Menge Sauerstoff enthalten, die Turbopumpe an, bevor sie in die Hauptbrennkammer gelangen, wo sie sich mit dem eingespritzten Kerosin vermischen und verbrennen. Der im Space Shuttle und SLS verwendete Zyklus wird als stufenweiser Verbrennungszyklus mit Wiederzündung bezeichnet. Das bedeutet, dass sich in der Vorbrennkammer mehr Treibstoff befindet und dann das Verbrennungsgas mit viel Treibstoff in die Hauptbrennkammer geleitet wird, um sich mit Sauerstoff zu vermischen und erneut zu verbrennen.

Wenn Sie das hören, sind Sie möglicherweise verwirrt. Ob sauerstoffreiche Verbrennung oder brennstoffreiche Verbrennung, von einer Komponente muss mehr vorhanden sein. Warum kann es nicht genau richtig sein? Da dieses Verbrennungsgas zum Antrieb der Turbine verwendet wird, ist bei einem genau richtigen Verbrennungsverhältnis der Verbrennungswirkungsgrad zu hoch, die Temperatur steigt zusammen mit dem Verbrennungswirkungsgrad an und die Turbine schmilzt. Daher enthält das Verbrennungsgas, das die Pumpe antreibt, entweder viel Oxidationsmittel oder viel Brennstoff.

Zurück zum Raptor: Auch dieser verfügt über einen solchen abgestuften Verbrennungszyklus, allerdings mit drei weiteren Wörtern davor: „Full Flow“. Was bedeutet ein stufenweiser Vollstrom-Verbrennungszyklus? Dabei handelt es sich um eine Kombination der zuvor erwähnten sauerstoff- und brennstoffreichen Methoden. Die Vorbrennkammer, die den flüssigen Sauerstoff fördert, ist sauerstoffreich, und die Vorbrennkammer, die den Brennstoff fördert, ist brennstoffreich. Auf diese Weise verbrennt in der Hauptbrennkammer ein Gemisch aus sauerstoffreichem Gas und brennstoffreichem Gas. Gas plus Gas sorgt für die beste Durchmischung und vollständigere Verbrennung. Darüber hinaus treibt das brennstoffreiche Gas die Kraftstoffpumpe an und das sauerstoffreiche Gas die Flüssigsauerstoffpumpe. Selbst wenn ein Leck vorhanden ist, wird das in den Kraftstoff austretende brennstoffreiche Gas nicht weiter verbrennen und explodieren, weil Sie denken, dass bereits zu viel Kraftstoff vorhanden ist. Auch wenn das sauerstoffreiche Gas in den Sauerstoff gelangt, kommt es weder zu einer Verbrennung noch zu einer Explosion. Daher sind die Dichtungsanforderungen dieser Pumpe nicht so außergewöhnlich wie die der RS25 des Space Shuttle. Auch die Wartung ist bequem.

In der Geschichte gab es nur drei Motortypen, die diesen Zyklus nutzten. Die ersten beiden scheiterten und flogen nie ins All. Wenn Starship erfolgreich ist, wird der Raptor das weltweit erste Triebwerk sein, das mithilfe eines stufenweisen Vollstrom-Verbrennungszyklus erfolgreich eine Rakete ins All schickt. Aus diesem Grund habe ich zu Beginn gesagt, dass der Raptor von Starship ein bahnbrechender Motor ist.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Gou Sheng (Dozent an der Xi'an Aviation University)

Gutachter: Zhou Binghong (Forscher am National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.