Benutzer:Segelboot/Schmierblatt2
Raumfahrtantriebe sind Techniken zur Geschwindigkeitsänderung von Flugkörpern (wie Raumschiffen) im Weltraum, oder kurz gesagt, zur Bereitstellung von Delta v. Es existieren sehr verschiedene Varianten mit zahlreichen Vor- und Nachteilen, darunter technisch nahezu ausgereifte, in der Entwicklung befindliche und auch nur theoretisch vorgeschlagene Methoden. Das Fachgebiet ist Schauplatz aktueller Forschung sowie zahlreicher unwissenschaftlicher Spekulationen.
Bei den heute verwendeten Antrieben handelt es sich ausschließlich um Rückstoßantriebe im Rahmen des dritten Newtonschen Axioms. Von diesen in der Praxis befindlichen Raketenantrieben sind die häufigsten die chemischen Antriebe (Wärmekraftmaschinen mit Verbrennung), worunter die Feststoff- und Flüssigkeitstriebwerke fallen. Es gibt in der Gruppe der Raketentriebwerke auch elektrische und nukleare Varianten, sowie Ausführungen mit Kaltgas.
Im folgenden Übersichtsartikel werden als Alternativkonzepte zu den Raketenantrieben Start- und Abschussmechanismen, Methoden ohne Treibstoffbedarf und hypothetische Methoden behandelt.
Antriebskonzepte
Das Ziel eines Antriebes ist die Bereitstellung von delta v, das heißt Geschwindigkeitsänderung des Raumschiffes. Da in der Raumfahrt sehr große Distanzen überbrückt werden müssen sollte auch die Geschwindigkeit des Raumschiffes sehr groß sein und somit auch der spezifische Impuls des Antriebssystems. Andererseits sollte ein Antriebssystem auch nennenswerte Schubkraft erzeugen, um die Reisezeit so kurz wie möglich zu halten. Dies ist besonders bei bemannten Missionen wichtig.
Siehe auch: Raketengrundgleichung
Die Auflistung ist folgendermaßen aufgebaut:
- Verwendung: fliegt bereits, erforscht, theoretisch
- Erläuterung und Überblick, Details im Fachartikel
- Isp: ungefährer maximaler spezifischer Impuls
- Schub: Schubbereich des Antriebssystems in Newton
Gasantrieb
Kaltgasantrieb
Verwendung: Lageregelung
Beim Kaltgasantrieb wird ein unter Druck stehendes Gas, meist Stickstoff, aus einem Behälter über Düsen entspannt.
Isp: ~68 s
Schub: ~N
Solarthermisch
Verwendung: Antrieb
Bei einem solarthermischen Antrieb konzentrieren zwei aufblasbare Parabolspiegel die Sonnenstrahlung auf einen Graphitblock, durch den Wasserstoff geleitet wird, der dadurch auf etwa 2800 Kelvin aufgeheizt wird.
Isp: 900 s
Schub: 1-100 N
Lightcraft
Verwendung: Start von Kleinsatelliten
Das Konzept des Lightcrafts ist eine Art Antrieb durch Laser: Das Raumfahrzeug bekommt durch einen auf der Erdoberfläche befindlichen Laser oder Maser Energie zur Beschleunigung zugeführt. Der Strahl trifft dazu auf einen Reflektor und erzeugt dort hohe Temperaturen, was zur Expansion des am Reflektor befindlichen Treibstoffes führt; die Ausdehnung des Treibstoffes übergibt einen Teil des Impulses an den Flugkörper. Beim Flug innerhalb der Erdatmosphäre sollen die darin befindlichen Gase ausreichen, sodass der Treibstoff des Flugkörpers erst in größeren Höhen notwendig wird. Das Konzept soll für Kleinsatelliten verwendet werden. Das momentan größte Hindernis ist, dass die benötigte Laserstärke nicht bereitgestellt werden kann.
Isp: s
Schub:
Chemische Antriebe
Chemische Antriebe beziehen ihne Energie aus der exothermen Reaktion von chemischen Elementen. Die Abgase werden anschließend durch eine Lavaldüse entspannt. Chemische Antriebe sind Schubstark, haben aber eine im Vergleich mit anderen Antrieben geringe Ausströmgeschwindigkeit.
Verwendung: Start, Antrieb
Bei den existierenden chemischen Varianten liegt beim Feststoffraketentriebwerk der Treibstoff in fester Form vor, der Treibstofftank ist hierbei auch die Verbrennungskammer. Festtreibstoffe können homogene oder auch heterogene Feststoffe (Composits) sein, die neben dem Brennstoff und dem Oxidator noch andere Zusätze (Stabilisatoren) enthalten. Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt üblich sind, werden meistens spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat oder Natrium-/Ammoniumnitrat, Aluminiumpulver, Kunstharz (Polybutadiene, Polyurethane, etc als Bindesubstanz) und eventuell geringen Mengen Eisenoxid als Katalysator verwendet. Diese ergeben nach dem Gießen einen festen, aber plastischen Körper (Treibsatz), was Riss- und Lunkerbildung stark vermindert und so die Transport und Handhabung sehr sicher macht. Zunehmend wird anstelle oder zusätzlich zu Aluminium auch Lithium, Beryllium, Bor oder Magnesium verwendet.
Isp: 265 s
Schub: 1-1000 kN
Verwendung: Lageregelung, Antrieb
Bei monergolen Flüssigtreibstoffen handelt es sich um nur eine flüssige Komponente. Monergole werden durch hinzubringen eines Katalysators zum Zerfall gebracht (Katergole). Ein Beispiel für ein Katergol ist Hydrazin, welches zum Beispiel für Lageregelungssysteme von Raumflugkörpern verwendet wird. Hierbei wird Hydrazin mit Hilfe eines Katalysators (Aluminiumoxid) zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt.
Isp: 222
Schub: 0,1-100 N
Verwendung:Lageregelung, Antrieb, Start
Bei Diergolen existieren zwei Komponenten des Treibstoffes, die gesondert gelagert werden. Der Treibstoff wird unmittelbar vor dem Verbrennungsprozess gesteuert in eine Brennkammer gepumpt. Dort reagieren die Stoffe miteinander.
Isp: 450 s
Schub: 0,1-1000 kN
Verwendung: Antrieb, Start
Triergolsysteme (Dreistoffsysteme) enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), denen noch zusätzlich Wasserstoff oder Metallpulver (Lithium, Aluminium, Beryllium) zur Erhöhung des spezifischen Impulses zugeführt wird. Diese Treibstoffsysteme wurden zwar bisher gut untersucht, jedoch wegen des komplexen Aufbaus von Triebwerk und Rakete (3 Tanks!) nie praktisch eingesetzt.
Isp: 500 s
Schub: 1-1000 kN
Verwendung: Antrieb, Start
Bei Hybridraketentriebwerken liegt sowohl flüssiger als auch fester Treibstoff vor, Als Hybridtreibstoff (Lithergol) bezeichnet man eine Mischantrieb aus einem festen Treibstoff, meistens aus Kunststoff, zum Beispiel HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Poly-Butadien), Lithiumhydrid etc. und einem flüssigen Oxidator, meistens Salpetersäure, flüssigem Sauerstoff, Distickstoffmonoxid, oder FLOX (Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Fluor). Der flüssige Treibstoff wird dem Festen kontrolliert zugeführt, damit wird eine Regel- und Abschaltbarkeit erreicht, was bei Feststoffraketen nicht der Fall ist.
Isp: 420 s
Schub: 5-1000 kN
Luftatmend
Verwendung: Start
Ein luftatmendes Raketentriebwerk wird zum Aufstieg aus der Erdatmosphäre benutzt. Der Vorteil ist das der Luftsauertoff als Oxidator benutzt werden kann und nicht mitgeführt werden muß. Für große Höhen muß allerdings weiterhin ein Oxidator mitgeführt werden, da der Luftsauerstoff zum Betrieb des Triebwerks nicht mehr ausreicht.
Isp: 450-2.800 s
Schub: ~300 kN
Verwendung: Start, Antrieb
Die Verwendung des Sauerstoffallotrops Ozon als Oxidator würde die Ausströmgeschwindigkeit erhöhen, leider ist Ozon instabil, was eine Lagerung sehr schwer wenn nicht unmöglich macht. Das Allotrop Tetrasauerstoff soll aber stabiler sein. Damit wären spezifische Impulse von bis zu 564s im Vakuum möglich.
Isp: 500-564 s
Schub: 1-1000 kN
Verwendung: Start, Antrieb
Man versucht ebenfalls Wasserstoffradikale als Treibstoff zu verwenden. Um die Stabilität des Elements zu erhöhen, werden sie unter den flüssigen Wasserstoff gemischt. Wird diese Kombination (mit theoretischen 15,4% Radikalen) mit flüssigen Wasserstoff verbrannt, können spezifische Impulse von bis zu 750s im Vakuum entstehen. An der Université d’Orsay in Paris wurde testweise metastabiles Helium erzeugt und als Bose-Einstein Kondensat gespeichert. Die Reaktion von metastabilem Helium zu Helium würde spezifische Impulse von 2825s möglich machen.
Isp: 750-2.825 s
Schub: bis 1000 kN
Elektrische Antriebe
Elektrische Antriebe verwenden elektrische Energie um ein Raumschiff anzutreiben. Dies kann durch Aufheizung oder Ionisierung des Treibstoffes (hier Stützmasse genannt) geschehen. Generell sind elektrische Antriebe schubschwach, ein Start von der Oberfläche eines Planeten ist damit unmöglich. Um möglichst hohe Leistungen zu erbringen muß auch die Energiezufuhr möglichst groß sein. Die Energie kann durch Solarzellen oder Radioisotopengeneratoren und, bei großen Energiemengen, durch Atomreaktoren erzeugt werden.
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung
Bei einem widerstandsbeheizten Triebwerk wird der Treibstoff durch einen stromdurchflossenen Widerstand aufgeheizt. Dies kann zum Beispiel ein Wolframdraht sein, das Prinzip gleicht dem eines Tauchsieders.
Isp: 1.000 s
Schub: 152mN @ 1 kW
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb
Zwischen einer Kathode und einer Anode wird ein Lichtbogen gebildet. Durch den Lichtbogen fließt der Treibstoff, welcher dadurch stark aufgeheizt wird (ca. 5.000 K). Das heiße Gas wird anschliegend durch einen Düse expandiert. Der Schub wird nur durch den thermischen Effekt der Expansion erzeugt und nicht durch Magnetfelder (im Unterschied zum MPD).
Isp: 2.000 s
Schub: 3,35 N @ 30 kW
Verwendung: Lageregelung
Das Feldemissionstriebwerk verwendet zwei sehr nahe beieinander liegende Platten, zwischen denen ein flüssiges Metall (Cäsium) durch Kapillarkräfte zur Spitze fließt. Die Platten sind positiv geladen. In etwas Abstand zur Spitze befinden sich zwei weitere Platten die negativ geladen sind. Das elektrische Feld zwischen beiden Ionisiert den Treibstoff und beschleunigt ihn. Dieses Triebwerk ist sehr schubschwach und leicht.
Isp: 12.000 s
Schub: 1 mN @ 60 W
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb
Die RIT-Triebwerke erzeugen durch Ringentladung ein Plasma, die positiv geladenen Teilchen werden anschliessend durch Gitter nach draußen beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten Neutralisators, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen ausgestoßen. Als Treibstoff wird Xenon verwendet. Das HiPEP der NASA fällt in diese Kategorie.
Isp: 6.000-9.150 s
Schub: 600 mN @ 34,6 kW[1]
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb
Das Kaufmann-Triebwerk erzeugt durch einen Lichtbogen ein Plasma, die positiv geladenen Teilchen werden anschleißend durch Gitter nach draußen beschleunigt. Nach der Passage des sogenannten Neutralisators, der dem Strahl wieder Elektronen zuführt und ihn somit elektrisch neutral macht, werden die Teilchen ausgestoßen. Als Treibstoff wird Xenon oder Quecksilber verwendet. Das NSTAR der NASA ist ein solches Triebwerk.
Isp: 3.100 s
Schub: 92 mN @ 2,6 kW
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb
Bei Hallionentriebwerken (Hall-Effect-Thruster) wird ein Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt. In der ringförmigen Entladungskammer driften die Elektronen im Kreis, durch den Halleffekt werden die positiv geladenen Ionen ausgestoßen. Da die Elektronen in der Kammer zurückbleiben ist ein Neutralisator notwendig. Als Treibstoff wird Xenon oder Bismut verwendet. Ein solches Triebwerk kam auf SMART-1 zum Einsatz.
Isp: 1.640 s
Schub: 68 mN @ 1,2kW
Verwendung: Bahnregelung, Antrieb
Magnetoplasmadynamische Triebwerke (MPD) bestehen aus einer trichterförmigen Anode, in deren Mitte eine stabförmige Kathode angebracht ist. Wird Spannung zwischen beiden Elektroden angelegt, wird die sich im Trichter befindende Stützmasse ionisiert und erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode. Durch den Stromfluss wird nun ein starkes Magnetfeld erzeugt. Die Leistung kann durch das Anlegen eines weiteren externen Magnetfeldes gesteigert werden. Die Wechselwirkung zwischen dem elektrisch erzeugten Magnetfeld um die Brennkammer und den ionisierten Plasmateilchen beschleunigt diese in axialer Richtung und lässt sie mit hoher Geschwindigkeit entweichen. Als Grundlage für das Plasma eignen sich vor allem Argon, Lithium und Wasserstoff.
Isp: ~4.000 s
Schub: ~300 mN @ 12 kW
Gepulstes Plasmatriebwerk
Verwendung: Lageregelung, Bahnregelung, Antrieb
Gepulste Plasmatriebwerke (Pulsed Plasma Thruster) sind MPD die instationär (gepulst) betrieben werden. Dazu werden Kondensatoren mitgeführt. Der Aufbau ähnelt einer Railgun. Als Treibstoff wird Teflon verwendet, welcher in fester Form an einem Ende der Schienen vorliegt. Die Schienen werden unter Spannung gesetzt und mittels einer Zündkerze wird die vorderste Schicht des Teflonklotzes verdampft. Die dabei entstehende Plasmawolke wird wie bei einer Railgun heraus beschleunigt.
Isp: 2.200 s
Schub: 1 mN @ 1 kW
PIT
Verwendung: Antrieb
Das Induktive Flachspulentriebwerk (Pulsed Inductive Thruster) ist ein gepulstes Triebwerk. Eine flache Ansammlung von Spulen ist mit Kondensatoren verbunden. Zuerst wird Gasförmiger Treibstoff (meist Argon, auch Ammoniak) wird auf die Spulen geblasen. Dann werden die Kondensatoren schlagartig entladen, der Treibstoff wird zu Plasma. Das Magnetfeld der Spulen induziert ein Gegenfeld im Plasma das dadurch fortschleudert wird.
Isp: 2.000-8.000 s
Schub: ~92 mN @ 20 kW[2]
VASIMR
Verwendung: Antrieb
Relativ neu ist das Antriebskonzept des früheren Astronauten Franklin Ramon Chang-Diaz. Seine Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) verwendet elektrische Energie um Plasma zu erzeugen, zu erhitzen und zu beschleunigen. Der Treibstoff wird zuerst mit RF Antennen ionisiert, dann mit RF Antennen erhitzt. Anschließend wird das Plasma durch eine magnetische Düse entspannt. Damit ist eine Variation des Verhältnis zwischen spezifischem Impuls und Schub möglich, analog zu der Getriebeschaltung eines Radfahrzeugs.
Isp: 5.000-30.000 s
Schub: 5 N @ 5.000 s & 200 kW
Verwendung: Antrieb
Der Magnetfeldoszillationsantrieb (Magnetic Field Oscillating Amplified Thruster) verwendet Alfvén-Wellen um durch veränderliche Magnetfelder in elektrisch leitfähigen Medien (z. B. Plasma, salziges Wasser etc.) Dichtewellen hervorrufen. Diese Wellen sind in der Lage, Teilchen im Medium mit sich mitzureißen und sie auf sehr hohe Geschwindigkeiten (bzw. hohe Energien) zu beschleunigen. Dazu besteht dass gesamte MOA-System aus Plasmaquelle, Zentralrohr, Primärspule, Sekundärspule und eine Versorgungs- und Steuerungseinheit. Die Plasmaquelle erzeugt einen kontinuierlichen Strom ionisierter Teilchen, die im Zentralrohr in Richtung Austrittsdüse driften. Diese Teilchen können z. B. Stickstoff- oder Wasserstoffmoleküle, aber auch Atome der Edelgase Argon oder Xenon sein. Da sie ionisiert sind, reagieren sie auf die beiden Magnetfelder, welche durch die Primär- und die Sekundärspule aufgespannt werden. Dabei ist die Primärspule permanent in Betrieb und formt die magnetische Austrittsdüse, während die Sekundärspule zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Feldlinien im Gesamtsystem zu deformieren. Diese Verformung erzeugt die Alfvén-Wellen, welche im nächsten Schritt dem Transport und der Kompression des Antriebsmediums dienen.
Isp: 2.400-13.120 s
Schub: 237-13 mN @ 11,16 kW[3]
HDLT
Verwendung: Antrieb
Der Helicon Double Layer Thruster wurde an der Australian National University erfunden. Der Antrieb wird mit Hilfe der ESA weiterentwickelt. Beim HDLT wird ein Gas in ein divergierendes magnetisches Feld, welches eine Düse formt, gebracht und mit RF Antennen ionisiert. Das dadurch entstehende Plasma wird dadurch heraus beschleunigt. Als Treibstoff kommen Argon, Wasserstoff oder Krypton zum Einsatz.
Isp: 4.000 s[4]
Schub: 0,X N @ X kW
Nukleare Antriebe
Nukleare Antriebe beziehen ihre Energie aus Kernzerfall, Spaltung, Fusion oder Annihilation. Sie sind in Bezug auf Schub und Ausströmgeschwindigkeit die leistungsstärksten Antriebe aber politisch umstritten.
Radioisotopenantrieb
Verwendung: Antrieb
Beim Radioisotopenantrieb strömt ein Gas mit geringem Molekulargewicht durch ein Radioisotop, zum Beispiel 238Pu oder 90Sr. Durch den natürlichen Zerfall erwärmt sich dieses und somit auch das Gas. Das Gas wird anschließend durch eine Lavaldüse entspannt. Arbeiten dazu gab es beispielsweise im Projekt Poodle von 1961 bis 1965 in den USA.
Isp: 800 s
Schub: 1-10 N
Festkernreaktor
Verwendung: Antrieb
Bei den nuklearen Raketenantrieben ist der Kernspaltungsantrieb zu erwähnen, bei dem durch nukleare Reaktionen hohe Temperaturen erzeugt werden, die dann zum Ausstoß einer Stützmasse dienen. Mittels Kernspaltung wird Wasserstoff oder Ammoniak extrem erhitzt und anschließend unter Druck ausgestoßen. Dazu gehört das von 1954 bis 1972 laufende Projekt NERVA der NASA, sowie 1992 Timberwind im Rahmen der SDI-Initiative. Auch die Sowjetunion (Triebwerk RD-0410) arbeiteten in der Vergangenheit an Kernspaltungsantrieben mit festem Kern für die Raumfahrt.
Isp: 1000 s
Schub: 100-1000 kN
Gaskernreaktor
Verwendung: Antrieb
Wie oben bereits erwähnt muss die Temperatur im Reaktor erhöht werden um die Antriebsleistung zu steigern. Da das spaltbare Material durch seine Schmelztemperatur eine natürliche Temperaturgrenze für Festkernreaktoren festsetzt, gibt es Überlegungen Reaktoren mit gasförmigem Kern zu entwickeln, so genannte Gaskernreaktoren. Damit ließen sich Ausströmgeschwindigkeiten bis 5.000 s erzielen. Der Nachteil ist jedoch das der Kern offen liegt und somit stehts ein Brennstoffverlust durch die Austrittsdüse vorhanden ist. Um dies zu verhindern wurden auch geschlossene Gaskernreaktoren angedacht, wo das heiße reaktive Plasma in Quarzröhren gefüllt wird. Ein Brennstoffverlust findet hier nicht statt, allerdings reduziert sich die Ausströmgeschwindigkeit auf 2.000 s.
B Reaktor
C Spaltmaterial wird zur Stromerzeugung abgebremst
d Moderator(BeO oder LiH)
e Containment
f Induktionsspule
Isp: 5.000 s
Schub: 100-1000 kN
Antrieb durch Spaltprodukte
Verwendung: Antrieb
Da bei einem Gaskernreaktor mit offenem Kern immer ein Teil des Brennstoffes die Düse verlässt, gibt es die Möglichkeit die Ausströmgeschwindigkeit des Antriebes weiter zu erhöhen indem man nur die Spaltprodukte selbst auszustößt (Fission-fragment rocket). Die radioaktiven Partikel werden dabei mit Hilfe von Magnetfeldern zur Reaktion gebracht und von den Wänden fern gehalten. Die Spaltprodukte werden anschließend ausgestoßen.
Isp: 100.000 s
Schub: X kN
Nuklearer Pulsantrieb
Verwendung: Antrieb
Das Konzept wurde in den 1950er und 1960er Jahren vorgeschlagen. So haben das Orion- und Daedalus-Projekt Raumschiffe vorgesehen, die alle paar Sekunden eine nukleare Explosionen am Heck auslösen; es wäre dann durch die Sprengwirkung nach vorne geschoben worden. Der Vorteil eines solchen Antriebs ist Einfachheit des Konzeptes, das sich schon mit heutigen Technologien realisieren ließe, wobei letzte Fragen bezüglich des Strahlenschutzes für die Crew und das Raumschiff selbst nicht abschliessend geklärt sind.
In den 1960er Jahren laufende Forschungen wurden aus politischen und rechtlichen Gründen (1963: Vertrages zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser) abgebrochen und könnten nur, wegen der notwendigen Vertragsänderungen, in der internationalen Gemeinschaft wieder aufgenommen werden.
Isp: 3.000-10.000 s
Schub: 100-10.000 kN
Fusionsantrieb
Verwendung: Antrieb
Dieser Antrieb ist ähnlich dem Kernspaltungsantrieb, außer dass die Energie aus Kernfusion gewonnen wird und somit wesentlich höher ist. Die Energie der Kernfusion wird mittels Neutronenstößen an ein niedermolekulares Gas, zum Beispiel Wasserstoff, weitergegeben. Die „Asche“ der Fusion wird ebenfalls in den Abgasstrahl gemischt, das dadurch entstehende heiße Plasma wird mittels einer magnetischen Düse entspannt.
Der vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagene Bussard-Ramjet funktioniert ähnlich wie ein Ramjet. Mittels eines magnetischen Kraftfeldes sammelt man interstellares Gas ein und leitet dies zu einem Kernfusionsreaktor (hauptsächlich interstellarer Wasserstoff). Die Fusionsprodukte werden anschließend ausgestoßen. Der große Vorteil dieses Konzepts ist, dass das Raumschiff nur eine bestimmte Treibstoffmenge mit sich führen muss, genug um die Mindesteinsammelgeschwindigkeit zu erreichen. Dafür ist allerdings eine Proton-Proton-Reaktion nötig.
Isp: 47.000 s
Schub: 30 kN[5]
Photonenrakete
Verwendung: Antrieb
Bei einer Photonenrakete würde ein Atomreaktor eine schwarze Fläche so stark erhitzen das die Schwarzkörperstrahlung der Fläche Schubkraft erzeugt. Der Nachteil besteht darin dass sehr hohe Energiemengen notwendig sind um winzigste Schubkräfte zu erzeugen. Da die Rakete durch die Kernspaltung/-fussion/-annihilation Masse verliert sind die spezifischen Impulse sehr niedig. Der Radiator (die schwarze Fläche) würde aus Wolfram oder Graphit bestehen. Photonenraketen sind technologisch machbar, aber unsinnig.
Isp: Reaktorabhängig
Schub: ~300 MW/N
Fissionssegel
Verwendung: Antrieb
Das Fissionssegel wurde von Robert L. Forward vorgeschlagen. Dabei wird eine möglicht große, möglichst leichte strahlungsabsorbierende Fläche auf einer Seite mit Radioisotopen, zum Beispiel Alpha-Strahler, beschichtet. Durch den natürlichen Zerfall der Radioisotope werden Helium-Kerne (Alpha-Strahlung) frei, die nur in eine Richtung davonfliegen können. Das Prinzip ähnelt einem Sonnensegel, funktioniert aber auch ohne Sonnenlicht.
Isp: unbekannt
Schub: ~10 N/km²
Nukleare Salzwasserrakete
Verwendung: Antrieb
Die nukleare Salzwasserrakete wurde von Robert Zubrin vorgeschagen. Dabei wird Wasser ein wenig (2%) Uran- oder Plutoniumsalz beigemischt. Damit die kritische Masse nicht erreicht wird wird das Salzwasser in verschiedenste kleine Behälter aufgeteilt die mit Neutronenabsorbern ausgekleidet sind. Aus den verschiedensten Behältnissen wird das Salzwasser in eine Reaktionskammer gepumpt. Dort wird die kritische Masse des Uran-/Plutoniumsalzes schließlich erreicht und die nukleare Kettenreaktion beginnt. Das Wasser indem die Salze gelöst sind wirkt gleichzeitig als Moderator und Stützmasse. Die Kettenreaktion erzeugt eine enorme Hitze die das Wasser verdampfen läßt, das Wasserdampf/Spaltstoffgemisch verlässt den Antrieb durch eine Lavaldüse. Der Vorteil des Antriebskonzeptes sind der niedrige Spaltstoffverbrauch im Vergleich zum reinen Antrieb mit Spaltprodukten und der hohe Schub und spezifische Impuls. Der Nachteil ist die enorme Hitzeentwickung durch die nukleare Kettenreaktion, so dass der maximale Neutronenfluss erst außerhalb der Reaktionskammer stattfinden darf.
Isp: 10.000 s
Schub: 10 MN
Antimaterieantrieb
Verwendung: Antrieb
Die Energie für diesen Antrieb würde durch eine Paarvernichtung von Materie und Antimaterie geliefert werden. Bei diesem Prozess wird die gesamte Ruheenergie der Teilchen vollständig freigesetzt. Dabei wird in eine Wolke aus Materie ein wenig Antimaterie geschossen. Die Materie erhitzt sich dadurch enorm, Kernfusionsprozesse setzen ein und erhitzen die Materie weiter. Diese wird anschließend durch eine magnetische Düse ausgestoßen.
Das größte Problem aus der heutigen Sicht stellt die Erzeugung und Lagerung von Antimaterie dar. Da die Produktion soviel Energie verbraucht, wie die Reaktion später liefert, scheidet eine Produktion an Bord des Raumschiffs aus. Die Antimaterie müsste mitgeführt werden. Die Lagerung dieser muss 100prozentig zuverlässig sein, da sonst das Raumschiff zerstört würde.
Mit dem jetzigen Stand der Technik ist ein Antimaterieantrieb nicht möglich, da man keine Möglichkeit kennt, größere Mengen an Antimaterie zu erzeugen. Mit dem Materie-Antimaterie-Triebwerk könnte man fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Für einen Flug zum Mars hin und zurück wären nur etwa 0,1 Gramm Antiprotonen nötig, doch selbst die Herstellung dieser geringen Menge Antiprotonen ist derzeit utopisch. Siehe auch: AIMStar(spacecraft).
Isp: ~400.000 s
Schub: 100 kN[6]
Antriebe ohne Treibstoff
Im folgenden Antriebsmethoden bei denen das Raumschiff selbst keinen Treibstoff verbraucht. Da es durch die unten genannten Methoden trotzdem eine Geschwindigkeitsänderung erfährt (delta v) ist der spezifische Impuls gemäß der Raketengrundgleichung stets unendlich.
Verwendung: Antrieb
Sogenannte Sonnensegel befinden sich in der Entwicklung und sollen sich den Effekt des Strahlungsdrucks zunutze machen, indem sie mit einem großen Segel elektromagnetische Strahlung einfangen und davon angetrieben werden. Der Schub wäre dabei minimal (und nähme mit der Entfernung von der Strahlungsquelle quadratisch ab), jedoch wäre er ohne Treibstoffverbrauch entstanden und bliebe stetig, solange der Einfluss von Strahlungsquellen mit dem Segel genutzt wird.
Isp: unendlich
Schub: 9 N/km² @ 1 AE
Materiesegel
Verwendung: Antrieb
Ein Materie-Strahler, z. B. ein Teilchen-Linearbeschleuniger, ruht auf einer großen Masse (Mond, Asteroid). Von hier aus zielt ein gut gebündelter Teilchenstrahl auf das Materiesegel des Raumschiffes und beschleunigt dieses dadurch. Da die Geschwindigkeit des Teilchenstrahls an die Geschwindigkeit des Raumschiffs angepasst werden kann (maximale Impulsübertragung), ist die Energieeffizienz wesentlich höher als beim Lasersegel. Zudem kann ein Teil des Materiestroms vom Raumschiff aufgefangen werden. Das Raumschiff kann mit leeren "Treibstofftanks" starten und füllt diese während der Beschleunigung. Am Zielort angelangt könnte es mit diesem aufgesammelten Treibstoff bremsen.
Isp: unendlich
Schub: 1-1000 mN
Verwendung: Antrieb
Ein weiterer Vorschlag ist der eines Weltraumliftes, einer Art Aufzug, welcher, am Erdboden beginnend, aus der Erdatmosphäre heraus bis in den Weltraum führen soll. Nachdem im Jahr 1895 das (nach heutiger Auffassung technisch unmögliche) Errichten eines Turmes (engl. space fountain) bis in den Weltraum vorgeschlagen war, wurde die 1957 zum Weltraumlift (engl. space elevator) abgewandelte Idee in den letzten Jahren wissenschaftlich zahlreich betrachtet. Das Konzept beinhaltet in heutigen Ausführungen ein festes Seil, dass auf der Erdoberfläche verankert würde und an dessen anderen Ende ein Gewicht knapp oberhalb der geostationären Umlaufbahn hinge, wobei die Zentripetalkraft das Seil strammzieht und einen daran auf und ab fahrenden Aufzug ermöglichen soll. Ein zentrales Problem ist die Festigkeit des Seiles – die Festigkeitswerte konnten jedoch in letzter Zeit deutlich verbessert worden.
Isp: unendlich
Schub: unbekannt
Magnetsegel
Verwendung: Antrieb
Bei einem Magnetsegel (engl. magsail) wird ein statisches magnetisches Feld durch einen Supraleiter erzeugt um die geladenen Partikel des Sonnenwindes abzulenken um ein Raumfahrzeug anzutreiben. Mit einem Magnetsegel ist es auch möglich sich von der Magnetosphäre eines Planeten anziehen oder abstoßen zu lassen.
Isp: unendlich
Schub: 70N bei 30 Wb @ 1AE[7]
tether
Katapult
Verwendung: Start
Es gibt einen wissenschaftlichen Vorschlag für ein elektromagnetisches Katapult (engl. mass driver). Ein solches elektromagnetisches Katapult ließe sich mit dem Prinzip einer Coilgun oder Railgun im größeren Maßstab vergleichen: Das abzuschießende Objekt wird auf einer Startvorrichtung, beispielsweise einer Schienenform, befestigt, und darauf beschleunigt, bis es am Ende der Vorrichtung zum freien Flug kommt. Ein elektromagnetisches Katapult kann zum Beispiel von der Mondoberfläche Satelliten und Raumfahrzeuge in die Mondumlaufbahn befördern. Die ESA untersucht ein System mit einem Raketenschlitten als Starthilfe für Hopper.
Isp: unendlich
Schub: 100-10.000 kN
trägerschiffe
Zur Reduzierung der zum Start benötigten Treibstoffmassen gibt es Konzepte den Beginn des Startvorganges mit luftatmenden Antrieben (z.B. Strahltriebwerken) zu unterstützen oder Trägerflugzeuge (sog. Raumflugzeuge) zur Beförderung des Raumschiffes in eine gewisse Höhe zu nutzen; siehe: Hopper (Raumfahrt).
- ↑ http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2004/TM-2004-213194.pdf
- ↑ http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930023164_1993023164.pdf
- ↑ http://adsabs.harvard.edu/abs/2008AIPC..969..518F
- ↑ Helicon Double Layer Thruster
- ↑ http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2005/TM-2005-213559.pdf
- ↑ http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/ICAN.pdf
- ↑ http://www.psfc.mit.edu/library1/catalog/reports/2000/05ja/05ja026/05ja026_full.pdf