In der Geschichte der Raketentechnik und Raumfahrt wurden für Raketentriebwerke immer zwei unterschiedliche Treibstoffarten verwendet, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hatte. Flüssigtreibstoffraketen speichern Treibstoff und Oxidationsmittel getrennt und werden in einer Brennkammer zusammengeführt, wo die Verbrennung stattfindet. Feststoffraketen sind in Raketenzylindern verpackt und können über einen längeren Zeitraum gelagert werden. Sie brennen nur, wenn sie der Hitze eines Zünders ausgesetzt werden. Während Flüssigtreibstoffraketen durch Stoppen des Treibstoffflusses gestoppt werden können, können Feststoffraketen erst gestoppt werden, wenn der Feststofftreibstoff aufgebraucht ist oder die Rakete zerstört ist.
Fester Raketentreibstoff wurde um 220 v. Chr. in China in Form von Schwarzpulver entdeckt, das in vielen verschiedenen Formen zum Antrieb kleinerer Raketen verwendet wurde. Erst zwischen 1936 und 1980, als Caltech und das Russische Institut für Chemische Physik unabhängige Forschungen zu diesem Antriebstyp durchführten, wurden Pulverraketentriebwerke in verschiedenen Formen in großem Maßstab eingesetzt. Die bemerkenswerteste Anwendung von Feststoffraketentreibstoff war der Einsatz im Space-Shuttle-Stack der NASA in Form von zwei halb wiederverwendbaren Feststoffraketen-Boostern.
Der Pionier des Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks war Robert H. Goddard, der bereits 1909 seine erste Arbeit über das Konzept verfasste und schließlich am 16. März 1926 auf einer Farm in Auburn, Massachusetts, die erste Flüssigtreibstoff-Rakete der Welt startete. Flüssigtreibstoffraketen werden heute mit Abstand am häufigsten in der Raumfahrt eingesetzt. Sie waren von den ersten Raketen der NASA über das Space Shuttle Orbiter bis hin zu allen Fahrzeugen von SpaceX, einschließlich Starship, erfolgreich.
Vor- und Nachteile fester und flüssiger Brennstoffe
Im Vergleich zu Flüssigtreibstoffraketen haben Feststoffraketen den Vorteil, dass sie einfach und leistungsstark sind. Feststoffraketen-Booster (SRBs) auf der SLS-Mondrakete der NASA sorgen für den Großteil des nötigen Schubs, um die Rakete vom Boden abzuheben. Andererseits sind Feststoffraketen in der Regel schwer zu drosseln, und die Tatsache, dass sie nur abgeschaltet werden können, wenn der Treibstoff aufgebraucht ist, birgt ein großes Risiko. Der kurzlebige Ares-1-Prototyp der NASA nutzte ein einziges umfunktioniertes Space-Shuttle-SRB und war die einzige NASA-Rakete, die beim Start ausschließlich auf ein SRB angewiesen war. Diese Arten von Triebwerken standen im Mittelpunkt der Untersuchung des Unfalls mit dem Space Shuttle Challenger, bei dem die Dichtungsringe an einem der SRBs brachen, was zu Verbrennungen führte, die zum Verlust des Fahrzeugs führten.
Flüssigtreibstoffraketen sind das Rückgrat der modernen Raumfahrt, aber sie sind komplex und es wurden viele Jahre der Entwicklung in Anspruch genommen, um sie leistungsfähiger und zuverlässiger zu machen. Flüssigtreibstoffraketen verfügen über Drossel- und Stoppfähigkeiten, die für den Start von der Erde aus unerlässlich sind. Die Verwendung von flüssigem Treibstoff bietet auch die Möglichkeit, präzisere Anpassungen vorzunehmen, was bei Weltraummanövern oder Planetenlandungen unerlässlich ist.
Wie Flüssigtreibstoffraketen Missionen zum Mars ermöglichen werden
Die leistungsstärkste Flüssigkeitsrakete der Welt ist zweifellos das Starship von SpaceX. Der Starship-Stack kann in verschiedenen Konfigurationen 110 Tonnen Fracht in den Weltraum befördern und ist vollständig wiederverwendbar. Der 236 Fuß hohe Super Heavy-Booster befördert unglaubliche 4.000 Tonnen unterkühltes flüssiges Methan und flüssigen Sauerstoff. Die Trägerrakete war bereits Gegenstand von zwei vielbeachteten Tower-Captures, die viel schnellere Durchlaufzeiten zwischen den Flügen ermöglichen werden.
Es wird erwartet, dass das Starship-Programm im Rahmen seiner Strategie, das Fahrzeug zum Mond oder Mars zu bringen, ein Pionier bei der Betankung im Weltraum sein wird. Dies wäre mit dem Einsatz von Feststoffraketen niemals möglich gewesen. Wenn ein Raumschiff in die Umlaufbahn gebracht wird, wird wertvoller Treibstoff verbraucht, der auch für die Landung und den Abflug auf der Oberfläche anderer Himmelskörper benötigt wird. Aus diesem Grund testet SpaceX diese Betankungsmethode. Der Transfer von flüssigem Treibstoff zwischen zwei umlaufenden Raumschiffen ist ein wichtiger Meilenstein, den SpaceX-Teams erreichen müssen, bevor sie bemannte Weltraumerkundungen auf anderen Planeten ermöglichen können.