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Das interplanetare Raumschiff von SpaceX
Das interplanetare Raumschiff von SpaceX (Bild: Frank Wunderlich-Pfeiffer / SpaceX)

Neue Treibstofftanks und Triebwerke werden schon getestet

Eines der größten technischen Probleme beim Bau des Raumschiffs sind die Treibstofftanks. Sie sollen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen bestehen. Bisher gab es bei der Konstruktion von Tanks aus diesem Material das Problem, dass es bei niedrigen Temperaturen nicht dichthielt. Probleme mit Tanks aus Kohlefaser waren 1999 einer der Hauptgründe für die Einstellung der Entwicklung der X-33 Venture Star. Inzwischen ist die Technik aber soweit fortgeschritten, dass SpaceX einen ersten Prototypen für den Tank in der vollen Größe bauen und testen konnte. Bei den Tests hielt der Tank dicht. Allerdings ist die Technik neu. Später auftretende Probleme sind nicht auszuschließen.

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Auch das methanbetriebene Raptor-Triebwerk für die Trägerrakete befindet sich schon seit längerem in der Entwicklung. Es hat die gleiche Größe wie das Merlin-Triebwerk, wird aber den dreifachen Schub bei etwa 20 Prozent besserer Treibstoffeffizienz liefern. Es wurde nur zwei Tage vor dem Vortrag erstmals ein Prototyp des Triebwerks getestet.

Um den hohen Schub bei der gleichen Größe zu erreichen, muss auch der Brennkammerdruck auf 300 Bar verdreifacht werden. Das ist eine enorme Herausforderung für das gesamte System des Triebwerks. Bei vollem Schub verbrennt das Raptortriebwerk pro Sekunde fast eine Tonne Sauerstoff und Methan. Dieser Treibstoff muss gegen den Druck in der Brennkammer durch die Einspritzdüse befördert werden. Um die notwendige Pumpleistung zu erreichen, kann das Raptortriebwerk nicht mehr mit der Gasgeneratortechnik funktionieren, mit der das Merlin-Triebwerk der Falcon 9 oder das F-1-Triebwerk der Mondrakete Saturn V gebaut wurden.

Dort wurden große Mengen des Treibstoffs mit etwas Sauerstoff verbrannt, um ein Gas zu erzeugen, das die Turbine antreibt. Dieses Gas darf nicht zu heiß sein, um die Turbine nicht zu beschädigen. Deshalb wird ein Überschuss von Treibstoff verwendet und mit zu wenig Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung verbrannt. Dieses Verfahren ist sehr ineffizient. Dadurch wird die Effizienz und die Leistung eines Triebwerks begrenzt. Denn um so höher die notwendige Leistung der Pumpen für die Überwindung des Drucks in der Brennkammer ist, um größer ist der Anteil des unverbrannten Treibstoffs.

Mehr Druck ist effizienter

Ein höherer Brennkammerdruck erhöht dabei nicht nur den Schub eines Triebwerks der gleichen Größe. Er erhöht auch die Verbrennungstemperatur und damit die Geschwindigkeit, mit der die Gase aus der Brennkammer nach außen strömen. Um davon profitieren zu können, darf das Triebwerk den unverbrannten Treibstoff nicht nach außen leiten, sondern muss ihn mit zur Verbrennung in die Brennkammer leiten. Das Raptor-Triebwerk tut sogar noch mehr als das. Es hat zwei Gasgeneratoren, die zwei Turbinen und zwei Pumpen antreiben.

Dabei wird eine kleine Menge Methan in den Sauerstoffstrom eingespritzt und verbrannt, um den Sauerstoff zu verdampfen und mit dem Gas die Turbine anzutreiben, die den Sauerstoff in das Triebwerk pumpt. Auf der Methanseite wird umgekehrt eine kleine Menge Sauerstoff zugeführt und das Gemisch entzündet, um die Turbine für die Methanpumpe anzutreiben. Das Verfahren ist komplex, hat aber zwei Vorteile. Zum einen wird kein Treibstoff unverbrannt ausgestoßen. Zum anderen werden weder Sauerstoff noch Methan als Flüssigkeit in die Brennkammer gepumpt, sondern als Gas. Auch das erhöht noch einmal die mögliche Verbrennungstemperatur in der Brennkammer und damit die Effizienz.

Das fertige Triebwerk wird einen spezifischen Impuls, ein Maß für die Treibstoffeffizienz, von 334 Sekunden am Boden und 361 Sekunden im Vakuum haben - bei einem Schub von 3.050 Kilonewton am Boden. Eine Variante mit einer größeren Düse soll im Vakuum auch 382 Sekunden erreichen. Das sind Rekordwerte für ein Triebwerk, das nicht mit Wasserstoff betrieben wird. Diese Triebwerke erreichen bis zu 465 Sekunden im Vakuum.

Methan ist besser als Wasserstoff und Kerosin

SpaceX hat sich bewusst gegen Wasserstoff als Treibstoff entschieden. Flüssiger Wasserstoff ist mit höchstens -253 Grad wesentlich kälter als flüssiges Methan mit -161 bis -183 Grad Celsius und hat eine sehr geringe Dichte von nur 70 Gramm pro Liter. Die Tanks müssten größer sein, mehr wiegen, besser isoliert werden und noch niedrigeren Temperaturen standhalten. Noch dazu ist Wasserstoff viel teurer als Methan. Auch das Ziel des Raumschiffs, der Mars, spielte eine Rolle.

Den Treibstoff für den Rückflug zur Erde soll das Raumschiff vom Mars selbst bekommen. Der Treibstoff muss dort also gelagert und erzeugt werden. Die Lagerung von flüssigem Wasserstoff ist dabei deutlich schwerer als die Lagerung von Methan. Außerdem besteht die Marsatmosphäre zum größten Teil aus Kohlendioxid, das sich durch den Sabatier-Prozess mit Wasserstoff zu Methan verarbeiten lässt. Aus einer Tonne Wasserstoff, der aus Wasser vom Mars erzeugt werden muss, entstehen dabei vier Tonnen Methan.

 SpaceX: Warum Elon Musks Marsplan keine Science-Fiction istZwischen Traum und Realität 

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Atalanttore 08. Okt 2016

Weil es halt nicht geht.

mindo 07. Okt 2016

Großartig! Kann ich zu 100% unterschreiben.

redwolf 04. Okt 2016

Die Menschheit hat die Tendenz ihr eigener Feind zu sein. Sei es z.B. Überbevölkerung...

redwolf 04. Okt 2016

Dezentralisierung der Menschheit. Wenn hier der Nuke Button gedrückt wird, hat die...

Emulex 03. Okt 2016

Ein Visionär ist für mich jemand, der nicht nur Dinge sieht die völlig offensichtlich...



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