Physikalische und physiologische Grenzen der verschiedenen Antriebsarten in der Raumfahrt. (TEIL1)

Die in diesem kurzen Artikel beschriebenen Tatsachen und Zusammenhänge sind keineswegs neu, sie sind in Fachkreisen seit langem genauestens bekannt und auch den interessierten Laien einigermaßen vertraut. Aber die Entfernungen und Geschwindigkeiten, die mit den verschiedenen (gegenwärtigen und zukünftigen) Antriebsformen der Raumfahrt erreicht werden können, sind meines Erachtens nirgends so plastisch dargestellt worden, wie in der nachfolgenden Graphik von Eugen Sänger, (1905-1964) aus seinem Hauptwerk "Raumfahrt, Heute-Morgen-Übermorgen" Düsseldorf, 1963. Dieses Buch (heute nur noch in einigen Bibliotheken erhältlich) ist eine wahre Fundgrube für jeden, der sich intensiv und wirklich gründlich mit der Raumfahrt beschäftigen will.

 

Bild 1: Eugen Sänger (rechts) an einem Prüfstand, 1954 in Stuttgart

 

Aber zu all den vielen Themen, die der große Forscher dort behandelt, bis zur lichtschnellen Photonenrakete, soll hier nicht Stellung genommen werden, sondern nur zu diesem spröden, aber hochinformativen Diagramm.

 

Bild2: Diagramm

 

Das doppelt logarithmische Diagramm stellt einen Phasenraum dar, der aufgespannt wird von den Parametern Fluggeschwindigkeit und Flughöhe. Die Geschwindigkeit (Abszisse) wird strikt in km/h dargestellt, die Flughöhe (Ordinate) bezieht sich auf die Erdoberfläche und wird strikt in Kilometer dargestellt, auch dort, wo wir eher von Lichtjahren sprechen würden.Gehen wir mal systematisch vor, also links unten beginnend. Der Punkt 100 ist klar, das sind 1 km/h in einem Kilometer Höhe. Dort tut sich nichts Relevantes (höchstens ein paar Heißluftballons). In 5 km Höhe, bei 100 km/h Geschwindigkeit, findet sich die erste Grenzlinie, die untere Grenze für Propellerflugzeuge. Klar, wenn sie langsamer fliegen, stürzen sie ab. Die erforderliche Mindestgeschwindigkeit nimmt natürlich mit der Höhe etwas zu, und ist am Erdboden noch etwas geringer als 100 km/h.Die Grenze des aerodynamischen Tragvermögens hüllt die drei Antriebsformen der Luftfahrt ein und trift dann in 80 km Höhe bei 20 000 km/h auf eine Temperaturgrenze, die "Hitzemauer", d.h. es entstehen durch Reibung Wandtemperaturen von über 1000 Grad Celsius. Dort ist die Luftfahrt zu Ende, die Raumfahrt beginnt.Es gibt aber noch einen merkwürdigen schmalen Übergangsbereich, den der Ballistischen Raketen und Raketenflugzeuge. Er liegt bei 10 4 , also 10 000 km/h, bzw. zwischen 80 km und 800 km Flughöhe. Damit sind einerseits die Interkontinental-Raketen gemeint, andererseits Projekte der Fünfziger Jahre, wie X-3, X-15, oder der Staustrahlgleiter SÄNGER.

 

Bild 3: Dies ist nicht ein galaktischer Jäger des Darth Vader, sondern ein Raketenflugzeug von 1952 (mein Jahrgang). Es ist nur 15 Jahre jünger als die Tante JU und nur 49 Jahre jünger als das Drahtgestell der Gebrüder Wright!!

 

 

Physikalische und physiologische Grenzen der verschiedenen Antriebsarten in der Raumfahrt. (TEIL2)

Das Feld der Raketenflugzeuge liegt links der gekrümmten Doppellinie Zirkulargeschwindigkeit / Fluchtgeschwindigkeit. Alles was links von dieser Linie liegt, fällt irgendwann herunter. In 10 13 km Höhe (1 Lichtjahr Entfernung) schneidet die Linie die Ordinate, spätestens dort fällt dann auch bei Geschwindigkeit Null nichts mehr "herunter".Dieser ganze Bereich ist also "verboten" ebenso wie der Bereich rechts unten im Diagramm.Rechts der Fluchtgeschwindigkeitskinie und oberhalb der Erwärmungsgrenze beginnt das gepunktete Feld der eigentlichen Raumfahrt. Es gibt davor noch einen schmalen, (von mir teilweise rot markierten Streifen), den Bereich der Erdsatelliten. Dort, zwischen 100 km und 36 000 km Flughöhe spielt sich der Hauptteil unserer heutigen Raumfahrt ab.Das gepunktete Feld reicht bis zur Lichtgeschwindigkeit und bis in ca. 100 Lichtjahre Entfernung. Es hat zwei Begrenzungslinien. Die untere grenzt den "verbotenen" Bereich der zu hohen Beschleunigungen ab. Wen man z.B. auf dem sehr kurzen Weg zum Mond eine Höchstgeschindigkeit von einer Million Stundenkilometern erreichen will, geht das eben nicht, denn man müßte die ganze Zeit mit mehr als 2 g beschleunigen.Die obere Grenze grenzt den Bereich der zu langen Reisezeiten ab. Sänger dachte vor allem an die bemannte Raumfahrt, und da sind 10 Jahre wirklich schon arg viel. Aber auch bei Raumsonden sollte man möglichst nicht 20 oder 30 Jahre Flugdauer in Kauf nehmen müssen. Der gepunktete Bereich ist in Bereiche verschiedener Antriebsformen segmentiert.Links, mit den geringsten Düsengeschwindigkeiten und damit mit den geringsten Reisegeschwindigkeiten, stehen die chemischen Antriebe. Das sind die normalen Raketenantriebe, wie wir sie so kennen: also Feststoffe, Kerosin / Flüssigsauerstoff, Wasserstoff / Sauerstoff, Salpetersäure / Hydrazin, die Liste ist wahnsinnig lang.Sehr viel mehr als 80 000 km/h (23 km / sec), kann man damit kaum erreichen, und bis zur Grenze des Sonnensystems braucht man 10 Jahre. Rechts davon folgen die konvektiven Fissionsraketen. Damit meint Sänger nuklearthermische Raketen, in denen Wasserstoffgas durch einen Reaktor auf mehrere tausend Grad erhitzt wird. (Fission heißt Spaltung, im Gegensatz zur Fusion).Es folgen die Misch-Fissionsraketen, die den Wasserstoff stärker erhitzen können, weil der Reaktorkern nicht fest, sondern flüssig ist, nämlich eine rotierende, enorm heiße Flüssigkeitsschale aus Urancarbid, Zirkoncarbid und dem eingespritzten Wasserstoff, der vorher noch die Brennkammerwände kühlt.

 

Bild 3: Gaskernreaktor. Quelle: Ad Astra Sept./Okt. 96

 

Damit erreicht man schon beachtliche Geschwindigkeiten und könnte bis jenseits des Pluto fliegen. Die nächste Antriebsart, die photonischen Fissionsraketen, ist sehr spekulativ und wird hier übergangen.Es folgen die reinen Fusionsraketen, also Antriebe, die nur die Rückstoßkraft des hundert Millionen Grad heißen Kernfusionsplasmas ausnützen. Dieser Antrieb wäre (wenn er denn mal funktioniert) ziemlich unbrauchbar, denn man kann ihn nicht verwenden für den Flug zu anderen Sternen, (dafür ist er zu langsam) und innerhalb des Sonnensystems höchstens für die äußersten Bereiche, (für die inneren ist er zu schnell). Aber das Plasma läßt sich auch mit kaltem Wasserstoff verdünnen (Mischfusionsrakete würde Sänger das genannt haben) und dann ergibt sich ein brauchbarer Antrieb von mittlerer Strahlgeschwindigkeit, auch für das innnere Sonnensystem.Ganz rechts stehen die reinen Photonenraketen, die wir alle aus der SF-Literatur kennen. Sie benutzen nur Licht als Rückstoßmasse (Licht wiegt ja schließlich auch etwas, die Erde wird täglich von 500 Tonnen Sonnenlicht getroffen) und nur damit könnte man zu den Sternen fliegen. Aber um z.B. tausend Tonnen Licht zu erzeugen und als Rückstoßmasse einzusetzen, müßte man 500 Tonnen Materie und 500 Tonnen Antimaterie (nach und nach) im Brennpunkt eines Parabolspiegels zusammenbringen. Ob der TÜV das genehmigt?Ganz vollständig ist das Diagramm leider nicht, (schließlich stammt es aus dem Jahre 1963), es fehlen noch die elektrischen Antriebe aller Art, wie Ionentriebwerke, Solarelektrische und Nuklearelektrische Antriebe, Schleudern, Katapulte, aber auch Segelantriebe wie Lichtsegel und magnetische Sonnenwindsegel. Es fehlt auch die von Sänger erfundene Heißwasserrakete (die vielleicht demnächst ihr come back erleben wird, aber nur als Starthilfe bei horizontalen Starts und die prinzipiell natürlich mit den Dampfkatapulten auf Flugzeugträgern verwandt ist).

 

Autor: M. BodenGraphik: Eugen Sänger: "Raumfahrt, heute, morgen, übermorgen" Düsseldorf 1963Bild 1 u. 2: Ernst Peter: "Der Weg ins All" Motorbuch Verlag 1988

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