Wie Raketen funktionieren und warum wiederverwendbare Raketen wichtig sind

Wie Raketen funktionieren: Aktion und Reaktion

Stellen Sie sich auf ein Skateboard und werfen Sie einen schweren Ball nach vorn, dann rollen Sie nach hinten. Dieses alltägliche Bild enthält das ganze Geheimnis einer Rakete: Jede Aktion erzeugt eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion. Eine Rakete stößt eine riesige Menge heißes Gas in eine Richtung aus ihrer Triebwerksdüse aus und wird dadurch in die andere Richtung geschoben.

Ein verbreitetes Missverständnis lautet, dass sich eine Rakete an der Luft oder am Boden abstößt. Sie braucht weder das eine noch das andere, denn der Schub entsteht durch das Gas, das sie ausstößt. Deshalb funktionieren Raketen auch im Vakuum des Weltraums einwandfrei, wo es überhaupt keine Luft gibt.

Schub, Treibstoff und warum Raketen vor allem aus Treibstoff bestehen

Schub ist die Kraft, mit der ein Triebwerk drückt. Die meisten Raketen erzeugen ihn, indem sie einen Brennstoff mit einem Oxidator verbrennen, also mit einem Stoff, der den für die Verbrennung nötigen Sauerstoff liefert. Ein Düsentriebwerk entnimmt seinen Sauerstoff der umgebenden Luft, doch im Weltraum gibt es keine Luft zum Atmen, deshalb führt eine Rakete ihren eigenen mit. Brennstoff und Oxidator zusammen bezeichnet man als Treibstoff.

Beliebte Kombinationen sind flüssiger Wasserstoff, raffiniertes Kerosin oder flüssiges Methan, jeweils verbrannt mit flüssigem Sauerstoff. Manche Raketen verwenden stattdessen festen Treibstoff, der in ein stabiles Gehäuse gefüllt ist.

Jetzt kommt der überraschende Teil. Eine Rakete muss auch den Treibstoff mitführen, der nötig ist, um den Rest ihres Treibstoffs anzuheben, deshalb besteht der größte Teil ihres Gewichts auf der Startrampe aus Treibstoff. Struktur, Triebwerke und Nutzlast, also der Satellit oder die Besatzungskapsel an der Spitze, machen nur einen kleinen Teil aus. Darum arbeiten Ingenieurinnen und Ingenieure so hart daran, jedes Bauteil leichter und jedes Triebwerk effizienter zu machen.

Warum Raketen Stufen haben

Stellen Sie sich eine lange Wanderung mit einer großen Wasserflasche vor, die Sie nie absetzen dürfen, selbst wenn sie längst leer ist. Ein einzelner Raketenkörper hätte dasselbe Problem: Lange nachdem seine Tanks fast leer wären, müsste er noch immer die gesamte schwere Struktur mitschleppen. Die Lösung ist das Stufenprinzip.

Eine mehrstufige Rakete besteht eigentlich aus zwei oder mehr Raketen, die übereinandergestapelt sind. Die erste Stufe, oft Booster genannt, leistet die Schwerstarbeit durch den dichtesten Teil der Atmosphäre. Ist ihr Treibstoff aufgebraucht, trennt sie sich ab, und die nächste Stufe zündet ihr eigenes Triebwerk, das nun ein viel leichteres Fahrzeug antreibt.

Jede Stufe lässt sich auf ihre Aufgabe abstimmen. Triebwerke der ersten Stufe arbeiten am besten in der dichten Luft nahe dem Boden, während Triebwerke der Oberstufen oft größere Düsen haben, die zum nahezu luftleeren Raum in großer Höhe passen. Erst das schrittweise Abwerfen von Gewicht ermöglicht es der letzten Stufe, die Orbitalgeschwindigkeit zu erreichen.

Orbitalgeschwindigkeit erreichen: Entscheidend ist das hohe Tempo zur Seite

Viele Menschen stellen sich vor, dass eine Rakete einfach senkrecht nach oben fliegt. Der Aufstieg ist jedoch der leichtere Teil, denn eine häufig verwendete Grenze zum Weltraum liegt etwa 100 km über dem Boden. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, so schnell seitwärts zu fliegen, dass man oben bleibt. Deshalb neigt sich eine Rakete kurz nach dem Start sanft zur Seite und verbringt den größten Teil ihres Aufstiegs damit, entlang des Horizonts zu beschleunigen.

Eine Umlaufbahn ist eigentlich ein endloser Fall. Werfen Sie einen Ball, und er fliegt im Bogen zurück zum Boden; werfen Sie ihn schneller, landet er weiter entfernt. In Erdnähe, bei etwa 7,8 km/s, krümmt sich der Boden unter einem fallenden Objekt genauso schnell weg, wie das Objekt sinkt. Es fällt also immer weiter um den Planeten herum, statt auf ihn zu stürzen.

Die Internationale Raumstation fliegt in etwa 400 km Höhe mit rund 28.000 km/h und umrundet die Erde in etwa 92 Minuten, also rund 16-mal am Tag. Um sich ganz von der Anziehungskraft der Erde zu lösen und Kurs auf den Mond, den Mars und darüber hinaus zu nehmen, braucht man von der Oberfläche aus etwa 11,2 km/s. Probieren Sie im Orbitrechner verschiedene Höhen aus, um zu sehen, wie sich Geschwindigkeit und Umlaufzeit verändern, und lesen Sie Satelliten und Umlaufbahnen einfach erklärt, um zu erfahren, wofür die einzelnen Arten von Umlaufbahnen genutzt werden.

Die Rückkehr: Wiedereintritt und Hitzeschilde

Die Rückkehr zur Erde bedeutet, all diese Geschwindigkeit wieder abzubauen. Statt noch mehr Treibstoff zum Abbremsen mitzuführen, nutzen die meisten Raumfahrzeuge die Atmosphäre als Bremse. Taucht eine Kapsel mit Orbitalgeschwindigkeit in die Luft ein, wird die Luft vor ihr so stark zusammengepresst, dass sie extrem heiß wird, und diese glühende Schicht übernimmt einen Großteil des Bremsens.

Ein Hitzeschild schützt das Raumfahrzeug in dieser Phase. Manche Schilde verkohlen langsam und tragen sich ab, wobei sie Wärme mitnehmen, andere bestehen aus Kacheln, die das Fahrzeug isolieren. Auch eine breite, stumpfe Form hilft, weil sie ein Polster aus heißer Luft vor sich herschiebt.

Sobald das Fahrzeug langsamer geworden ist, übernehmen Fallschirme oder Triebwerke den sanften Abschluss. Manche Kapseln schweben an Fallschirmen auf das Land oder ins Meer, und einige Raketenstufen nutzen heute ihre eigenen Triebwerke, um abzubremsen und aufrecht aufzusetzen. Das führt zu einer der spannendsten Veränderungen in der Raumfahrt.

Wiederverwendbare Booster: Raketen, die landen und erneut fliegen

Über den größten Teil der Geschichte der Raumfahrt hinweg, ab dem ersten künstlichen Satelliten im Jahr 1957, flogen Raketen nur ein einziges Mal. Jeder Booster erfüllte seine Aufgabe und wurde danach nicht wieder verwendet, ein wenig so, als würde man für jeden Flug ein neues Flugzeug bauen.

Wiederverwendbare Raketenstufen verändern dieses Bild. Nach der Trennung von der Oberstufe kehrt eine wiederverwendbare erste Stufe um, zündet ihre Triebwerke erneut, um zu steuern und abzubremsen, und fliegt, gelenkt von kleinen Flossen, durch die Atmosphäre zurück. Kurz über dem Boden zünden die Triebwerke noch einmal, damit sie sanft auf ihren Landebeinen aufsetzt, aufrecht auf einer Landefläche oder einer schwimmenden Plattform auf See, bereit für Wartung und den nächsten Flug.

SpaceX war Vorreiter darin, Booster der Orbitalklasse aufrecht zu landen und erneut zu fliegen, und hat dazu beigetragen, dass Wiederverwendung zu einem vertrauten Teil des Wegs in die Umlaufbahn geworden ist. Diese Arbeit hat Ingenieurinnen und Ingenieure auf der ganzen Welt ermutigt, Raketen, Triebwerke, Oberstufen und Kapseln von vornherein auf Wiederverwendung auszulegen, sodass die Vorbereitung auf den nächsten Flug eher der Wartung eines Flugzeugs gleicht als dem Bau eines neuen.

Warum Wiederverwendung neue Möglichkeiten eröffnet

Wenn die teuersten Teile einer Rakete erneut fliegen können, kann jeder Flug in die Umlaufbahn weniger kosten, und Starts können häufiger stattfinden. Ein kostengünstigerer, häufigerer Zugang zur Umlaufbahn schafft Raum für Ideen, die einst unerreichbar schienen.

Wiederverwendung verändert auch die Arbeitsweise von Gründerinnen und Gründern: Wenn sich ein Flug in die Umlaufbahn leichter organisieren lässt, kann ein Team eine Idee im Weltraum testen, daraus lernen und früher eine verbesserte Version fliegen lassen. Die Zukunft der Investitionen in den Weltraum erklärt, wie dieser Wandel das Denken langfristiger Investoren prägt, und der Explorer der Raumfahrtwirtschaft zeigt die Ebenen, die auf dem Start aufbauen.

• Häufigere Flüge, sodass Satelliten und Experimente kürzer auf eine Mitfluggelegenheit warten.
• Kostengünstigerer Zugang zur Umlaufbahn, sodass auch kleinere Teams, Universitäten und junge Unternehmen mitwirken können.
• Schnelleres Lernen, weil Ingenieurinnen und Ingenieure Hardware untersuchen können, die geflogen und zurückgekehrt ist.
• Raum für neue Ideen, von der Erdbeobachtung für Landwirtschaft, Wälder und Wetter bis zur Forschung in Mikrogravitation.

Die Perspektive von Nicole Junkermann

Nicole Junkermann, Unternehmerin und Wagniskapitalgeberin, die den KI-Überblick-Podcast moderiert, vertritt seit Langem die Ansicht, dass geduldiges Kapital für Deep Tech entscheidend ist. Raketen sind dafür ein anschauliches Beispiel: Die Grundideen lassen sich einfach formulieren, doch daraus Hardware zu machen, die landet und erneut fliegt, erfordert jahrelange sorgfältige Ingenieursarbeit und beständige Unterstützung.

Aus ihrer Sicht sind wiederverwendbare Raketen vor allem als Infrastruktur bedeutsam: als verlässlicher, wiederholbarer Zugang zur Umlaufbahn, auf dem andere mit Zuversicht aufbauen können. Sie fragt gern, was möglich wird, sobald ein schwieriges Problem zuverlässig gelöst ist, und wer als Nächstes bauen kann. Mehr dazu lesen Sie in ihrer Perspektive auf die Zukunft der Investitionen in den Weltraum, und wie Technologien reifen, zeigt der Explorer der Technologie-Reifegrade.