Dünne Höhenluft macht Raketen effizient

Der Start einer Rakete von einem Flugzeug ist aus technischer Sicht durchaus lohnenswert. Dabei spielt die reine Flughöhe und -geschwindigkeit des Flugzeugs kaum eine Rolle. Es fliegt nur rund 12 Kilometer hoch und 0,25 Kilometer pro Sekunde schnell, die Rakete muss aber 400 Kilometer hoch und 7,8 Kilometer pro Sekunde schnell fliegen. Dennoch ist Stratolaunch nicht die einzige Firma, die Raketen von Flugzeugen aus starten will. Virgin Orbital will Raketen mit der umgebauten Boeing 747 namens Cosmic Girl starten.

Ein spanisches Startup namens Zero 2 Infinity will sogar Raketen von einem Ballon aus noch größerer Höhe starten, ohne jede nennenswerte Startgeschwindigkeit. Sie alle versuchen, den gleichen Effekt auszunutzen. Denn die Höhe über dem Erdboden spielt beim Start dennoch eine wichtige Rolle, obwohl sie noch weit vom Weltraum entfernt ist. Denn der Luftdruck am Boden entspricht auf Höhe des Meeresspiegels der Kraft von etwa 10 Tonnen Gewicht pro Quadratmeter. Die Raketentriebwerke müssen gegen diesen Luftdruck arbeiten, was den Schub im Vergleich zum Betrieb im Vakuum nennenswert reduziert.

Schlimmer noch: Raketentriebwerke müssen beim Betrieb am Boden kleinere Düsen verwenden, obwohl größere Düsen beim Betrieb im Vakuum viel effizienter sind. Bei einer zu großen Düse würde der Luftdruck den Druck der Gase aus dem Triebwerk übersteigen. Das führt zu Turbulenzen innerhalb der Düse, die sie beim Betrieb am Boden zerstören würden. Der Unterschied zwischen großer und kleiner Düse bringt im Vakuum über 10 Prozent mehr Schub, beim gleichen Treibstoffverbrauch. Beim Betrieb eines Triebwerks am Boden, mit kleiner Düse, gehen je nach Bauart nochmal rund 10 bis 20 Prozent Schub verloren.

Ein Spaceshuttle ohne Booster ist möglich

Auf 10 Kilometern Höhe, der typischen Flughöhe eines Verkehrsflugzeugs, herrscht dagegen nur noch rund ein Viertel des Luftdrucks auf Meereshöhe, wo die meisten Raketen gestartet werden. Auf Flughöhe des Ballons wäre es nochmal ein Viertel dessen. Die erste Stufe einer Rakete wie der Falcon 9 benötigt wegen der langsamen Beschleunigung am Anfang über eine Minute, um auf 10 Kilometer Höhe zu fliegen, fast die Hälfte des Flugs, und betreibt die Triebwerke deshalb lange Zeit ineffizient innerhalb der Atmosphäre.

Der Start in großer Höhe erlaubt viel bessere Kompromisse bei der Triebwerkskonstruktion, größere Düsen und höhere Effizienz beim Start und beim Flug im Vakuum. Durch diesen Effekt kann der Start vom Flugzeug einen Teil der Leistung einer ersten Stufe ersetzen. Bei einer Rakete ohne zweite Raketenstufe kann der Unterschied beim gleichen Treibstoffverbrauch mehr als einen Kilometer pro Sekunde in der Endgeschwindigkeit ausmachen. Die erste Stufe der Falcon 9 erreicht dagegen etwa 1,8 Kilometer pro Sekunde, wenn sie zum Startplatz zurückkehrt, und 2,4 Kilometer pro Sekunde bei der Landung auf dem Schiff im Atlantik.

Durch den Effekt des niedrigeren Luftdrucks auf die Triebwerkskonstruktion gelangen die Pläne von Stratolaunch zumindest in den Bereich des Möglichen. Eine Art Spaceshuttle, das vom Flugzeug aus startet, in den Orbit fliegt und ohne Abtrennung von Raketenstufen zur Erde zurückfliegt, ist machbar. Ob es sicher ist und ob es auch noch eine ausreichende Nutzlast in den Orbit transportieren kann, hängt vom Geschick der Ingenieure von Stratolaunch ab.