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Nr. 8,  August 1958

Atomschleuder als Raketentriebwerk

Ein Konstrukteur des amerikanischen Erdsatelliten 'Explorer' zeigt einen neuen Weg zum Bau Interplanetarischer Raumschiffe

Von Robert Gerwin

Als sich am 31. Januar 1958 um 22.48 Uhr auf dem amerikanischen Raketen-Schießplatz Cap Canaveral in Florida eine Jupiter-C-Rakete vom Starttisch abhob und mit Hilfe weiterer drei Raketenstufen Amerikas ersten Erdtrabanten auf seinen Weg brachte, da erfaßte die beteiligten Männer eine unbeschreibliche Be- geisterung. Das war der Augenblick, von dem sie schon seit Jahrzehnten träumten! - Wie ihr Chef, Wernher von Braun, waren sie als junge Ingenieure meist durch einen Zufall mit der Raketentechnik in Berührung gekommen. Doch aus der Berüh- rung wurde ihr Lebenswerk. Der Gedanke, Groß- raketen zu bauen und mit ihrer Hilfe einmal in den Sternenraum des Weltalls vorzustoßen, ließ sie nicht mehr los und wurde fortan zur Trieb- feder ihres Denkens und ihrer Arbeit.

Einer dieser Männer hatte im Augenblick des 'Explorer'-Starts jedoch noch keine Zeit, sich dem allgemeinen Freudentaumel hinzugeben: Dr. Ernst Stuhlinger. 1913 in Niederrimbach geboren, stu- dierte er vor dem Kriege in Tübingen Physik. Fünf Jahre lang war er dann Assistent von Pro- fessor Geiger, dem Erfinder des Geiger-Zählers, in Berlin. 1943 kam er mit V-2-Entwicklungsarbeiten in Berührung. In Amerika stieg er dann zum Direktor des Büros für Forschungsprojekte in Huntsville, dem Raketen-Zentrum der ameri- kanischen Armee, auf. Jetzt hatte er die heikle Aufgabe, den Apex der Jupiter-Raketenbahn zu berechnen.

Als Apex bezeichnet man in der Astronomie den Punkt, auf den ein Himmelskörper zuzulaufen scheint. Dr. Stuhlingers Aufgabe bestand darin, auf Grund der Meßergebnisse der Peilgeräte die Bahn der Jupiter-Rakete zu berechnen und haar- genau in dem Augenblick die Pulvertreibsätze des Erdtrabanten durch einen Funkimpuls zur Ent- zündung zu bringen, wenn der Apex der Jupiter- bahn gerade auf der geplanten Erdtrabantenbahn lag. Genau 405 Sekunden vergingen vom Start bis zu diesem entscheidenden Augenblick, 405 Se- kunden, in denen allein das Können und die Nervenkräfte Dr. Stuhlingers über das Schicksal des ersten amerikanischen Erdtrabanten entschie- den. Dann drückte Dr. Stuhlinger auf den Zünd- knopf.

48.gif (15383 Byte) GROSSES AUFSEHEN erregte Dr. Ernst Stuhlinger mit seinen Plänen für ein Ionen-Triebwerk. Bei Verwirklichung dieses Projektes betragen die Gesamtkosten einer Marsexpedition nur noch einen Bruchteil der bisher veranschlagten Kosten.

Dieser Wissenschaftler hat nun in Verfolgung eines von ihm bereits auf dem fünften internatio- nalen Astronautischen Kongreß vorgetragenen Vorschlags die Grundidee zu einem ganz neu- artigen Raketentriebwerk entwickelt. Dr. Stuhlinger erregte mit diesem Triebwerk allgemeines Aufsehen, weil es sich dabei um ein Antriebs- aggregat handelt, mit dem eine Fahrt zu unseren Nachbarplaneten zu einem technischen und finan- ziellen Kinderspiel würde - sobald die Erde erst einmal von einer bewohnbaren Erdaußenstation umkreist wird.

Nur 730 t wiegt nämlich ein Expeditionsfahr- zeug, mit dem zehn Menschen von der Erdaußenstation zum Mars und wieder zurück reisen können, wenn es mit diesem neuartigen Triebwerk ausgerüstet ist. Das von Pro- fessor Wernher von Braun für die gleiche Aufgabe projektierte, mit herkömm- lichen Flüssigkeits-Raketenmotoren ausgerüstete Marsschiff weist dagegen ein Startgewicht von 3663 t auf. Dabei ist beim Raumschiff Dr. Stuhlingers die Nutzlast noch sechsmal größer. Bedenkt man, dar man (nach einer Berechnung von R. Engel) zum Transport von 3 t Nutzlast von der Erdoberfläche zur Erdaußenstation ein 207 t schweres, sechs- stufiges Raketenaggregat braucht dann begreift man welch große Ersparnisse das Raketentriebwerk Dr. Stuhlingers mit sich bringt.

49.gif (35460 Byte) EIN NETZ VON SCHUBZELLEN bildet das von Dr. Ernst Stuhlanger projektierte Ionen-Triebwerk. Unsere Zeichnungen zeigen einen Schnitt durch eine Gruppe dieser Schubzellen (oben) und einen Blick von oben auf einen wabenartigen Ausschnitt des Triebwerkes (unten). Die Elektroden der Schubzellen bilden Platinbleche, die wie der Bart eines Schlüssels mit Schlitzen versehen sind. Die Zahlen bedeuten: 1. Elektrodengitter elner Schubzelle, 2. oberste Elektrode einer Schubzelle, die an einer Gleich- spannung von 4880 Volt liegt, 3. Elek- tronenquelle, 4. glühender Draht, der mit Erdalkalloxyd-Verblndungen präpariert wurde und Elektronen aussendet, 5. Elektroden zur Beschleunigung der Elektronen, 6. ausgeschleuderte Ionen, 7. Elektronenwolke, 8. Eintritt des AIkallmetalldampfes, 9. Schubzelle, 10. Elektronenquelle, 11. Ionen und Elektronen rekombinieren zu neutralen Ato- men, 12. neutrale Alkallmetall-Atome.

Worin besteht nun das Neue? - Das Kernstück eines Raketenmotors her- kömmlicher Konstruktion ist die Brenn- kammer, ein 'Ofen', in dem zwei chemi- sche Flüssigkeiten -- ein Brennstoff und eine sauerstoffhaltige Substanz - mitein- ander reagieren. Dabei entstehen Ver- brennungsgase, die zunächst das Be- streben haben, nach allen Seiten fortzufliegen. Die Brennkammer muß also vor allem die Verbrennungsgase so leiten, daß sie nur in einer einzigen Richtung austreten.

Daraus ergehen sich zwei wesentliche Schwierigkeiten: Die Brenn- kammer steht unter erheblichem Druck und muß darum eine he. trächtliche mechanische Festigkeit besitzen. Andererseits sind die Wände der Brennkammer, vor allem jedoch die Austrittsdüse, dem intensiven Strom der Verbrennungsgase ausgesetzt, so daß sie un- weigerlich aufgeheizt werden. Es gibt aber keine Baumaterialien, die nicht bereits bei einer Temperatur unterhalb von 4000°C schmelzen (Graphit hei 3550°, Titankarbid hei 3140° und Hafniumkarbid hei 3900°). Ihre Festigkeitsgrenze liegt meist noch erheblich darunter. So kommt es, daß die Ausströmgeschwindigkcit der Ver- brennungsgase, die hei guten Triebwerken hei etwa 2,6 km/sec liegt, nicht beliebig gesteigert werden kann, selbst wenn das verbrennungstechnisch möglich wäre. Dementsprechend ist auch die Schubleistung von Raumfahrzeugen begrenzt.

Es gibt aber auch noch einen anderen Weg, Raketenschub zu er- zeugen: durch Beschleunigung der Antrichsgase im elektrischen Feld. Dabei geschieht mit den Gasatomen genau das gleiche wie mit den Elektronen in einer Rundfunkröhre. Dort liegt zwischen der Kathode, dem Ort, an dem die Elektronen austreten, und der Anode, dem Ort, zu dem die Elektronen hinwandern, eine Spannung von vielleicht 250 Volt. Sie erzeugt ein elektrisches Feld zwischen Ka- thode und Anode, das große Ähnlichkeit mit dem Schwerefeld der Erde hat, und übt auf die Elektronen eine Kraftwirkung aus. Sie 'fallen` mit zunehmender Geschwindigkeit zur Anode hin. Wenn man in die Mitte eines Anodenblechs einer Elektronenröhre ein Loch bohren würde und außerdem dafür sorgen könnte, daß die Elektronen frei aus dem Glasgefäß der Elektronenröhre austreten, dann besäße man bereits eine Miniaturausgabe des Raketentrieb- werks von Dr. Stuhlinger. Allerdings sind Elektronen sehr leicht; der Schuh, den sie erzeugen können, ist darum nur gering. Es empfiehlt sich daher, statt der Elektronen Ionen zu nehmen, Atome also, die eine elektrische Ladung tragen. Besonders geeignet erschei- nen hierzu die Alkalimetalle (Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium). Diese Metalle brauchen nur verdampft und stark erhitzt zu werden, um schnell das äußerste Elektron ihrer Elektronenhülle zu verlieren und so ionisiert zu werden.

51.gif (16266 Byte) WARUM IONEN-RAKETE? Auf diese Frage gibt das nebenstehene von Professor Dr. Sänger errechnete Diagramm eine klare Antwort. Darin sind senkrecht die Flughöhen - bei der Weltraumfahrt die Entfernungen von der Erde und waagerecht die Reisegeschwindigkeiten in km/h eingetragen (10³ 1000; 10hoch 4 10000; 10hoch , 1000 usw.)   Deutlich heben sich darin die Zirkulargeschwindigkeit und die Fluchtgeschwindigkeit ab, also der Geschwindigkeitsbereich, mit dem bereits die Erdsatelliten bzw- spätere Erdaußenstationen um die Erde kreisen. Alles, was links dieses Bereiches liegt, gehört zur Luftfahrt,soweit es unterhalb der Grenze des aerodynamischenTragvermögens bleibt. Was die Grenze nach oben überschreitet, betrifft den interkontinentalen Raketenverkehr. Rechts an die Zirkulargeschwindigkeit der Erdtrabanten schließt sich der Bereich der Raumfahrt an. Er ist nach oben hin durch die Fahrzeit begrenzt; eine Weltramnreise kann man nicht über zehn Jahre hinaus ausdehnen. Nach unten hin wird die Raumfahrt durch die Eiyenbeschleuniqung begrenzt; dießeschleuniqungskräfte, die auf die Besatzung eines Weltraumschiffs wirken, dürfen auf die Dauer höchstens doppelt so groß sein wie die Schwerebeschleunigung (ihr Gewicht) auf der Erde. Innerhalb des so eingegrenzten Bereichs können die konventionellen chemischen Raketen den unteren Bereich bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 40000 km/h meistern. Daran schließt sich der Bereich der Atom-Raketen und schließlich, bis zu einer Geschwindigkeit von 500000 km/h, der Bereich der Ionen-Raketen an. Mit ihnen ist es möglich im gesamten Planetensystem herumzurreisen. Übertroffen wird die Ionen-Rakete nur von der Photonen-Rakete, bei der durch das Ausschleudern von Lichtteilchen der Raketenschub erzeugt werden soll. Mit Photoneu-Raketen können Menschen theoretisch sogar bis zu den nächsten Fixsternen vordringen.

 

Das von Dr. Stuhlinger vorgeschlagene Ionen-'Teichwerk besteht darum aus einem bienenwabenartigen Nutz kleiner 'Kochtupfe', sogenannter Schuh- oder Stoßzellen. Jede Zelle hat einen Durchmesser von etwa 3 cm und enthält ein Gitterwerk dünner Platinbleche, die Beschleunigungselektroden. Diesen wird von unten Alkalimetalldampf zugeführt. Sie sind auf einige hundert Grad aufgeheizt, um die Metalldampf-Atome zu ionisieren. Die Elektroden stehen außer- dem unter Gleichspannung, und zwar gestaffelt. Bei denen, die dem Dampfeintritt am nächsten liegen, ist die Spannung niedrig. Am Aus- gang der Stoßzelle erreicht sie mit 4880 Volt einen Höchstwert. So werden die Ionen des Metalldampfes im ansteigenden elektrischen Feld beschleunigt und schließlich aus der Stoßzelle hinausgeschleudert, der wesentliche Vorteil gegenüber einem Verbrennungstriebwerk besteht hier vor allem darin, daß der Gasstrom kaum mit den Baumaterialien der Stoßzelle in Berührung kommt. Die Zahl der Ionen,die auf die Elektrodenbleche prallen, ist gering, und die dabei entstehende Wärme geht nicht ver- loren, da die Elektroden ohnehin aufgeheizt wer- den müssen. So ist es möglich, heim Ionen-Trieb- werk eine Ausströmgeschwindigkeit von - sage und schreibe - 80 km pro Sekunde zu errei- chen. Das ist etwa die zehnfache Umlaufgeschwin- digkeit der Erdtrabanten und dreißigmal so schnell wie die Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsgase normaler Raketentriebwerke.

Marsreisen werden billiger

Wenn man mit einem Ionen-Triebwerk dieser Art in den Raum hinausführe, würde man jedoch recht bald eine unliebsame Überraschung erleben: Die Ionen würden die Stoßzelle nicht mehr ver- lassen. Das Raumschiff wäre nämlich rasch von einem starken elektrischen Feld umgeben, gegen das die Ionen nicht mehr anlaufen könnten. Jeder Körper, der elektrische Ladungen abgibt -- und das tut ein Raumschiff ja, wenn es Ionen aus- schleudert ----, wird selbst aufgeladen.

Aber auch gegen die Aufladung des Raum- schiffes kann man sich schützen. Man muß ledig- lich die Ionen, nachdem sie die Stoßzelle ver- lassen und ihre Antriebsarbeit geleistet haben, wieder neutralisieren. Darum umgibt Dr. Stuh- linger jede Stoßzelle mit einer ringförmigen Elek- tronenquelle. Sie ist nichts anderes als ein ge- heizter Draht, der mit Hilfe von Erdalkalioxyd- Verbindungen so präpariert wurde, daß aus ihm Elektronen besonders leicht austreten können. Diese Elektronen werden wiederum durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Die so entstehen- den Elektronenwolken schleudert man in den Ionenstrahl. Jedes Ion hat dann Gelegenheit, sich ein Elektron zu suchen und sich zu -neutralisieren. Natürlich kann ein solches Triebwerk nur im Vakuum funktionieren. Außerdem ist der Schub, den es erzeugt, verhältnismäßig gering und reicht nicht aus, um ein großes Raumschiff von der Erde abzuheben. So wird das von Dr. Stuhlinger pro- jektierte Marsschiff von 730 t Startgewicht einen Schub von nur 55 kg erzeugen. Sein Transport zur Erdaußenstation muß darum mit konventio- nellen Triebwerken erfolgen. Ist jedoch die Schwereheschleunigung der Erde erst einmal überwunden, dann bestehen für die Bewegungs- freiheit einer Ionen-Rakete keine Grenzen mehr. Dafür ist der Treibstoffaufwand eines Ionen- Triebwerks ungewöhnlich gering. Er beträgt füreine Reise zum Mars lediglich 365 t Alkalimetall und kaum 1 t angereichertes Uran für den Betrieb des kleinen Atomkraftwerks, das die elektrische Energie tut die Versorgung der Stoßzellen und die Heizung der Ionen- und Elektronen- quellen liefert. Nach Dr. Stuhlingers Berechnun- gen würde dazu ein Kraftwerk genügen, das eine Leistung von 23 000 Kilowatt hat, etwa so viel wie ein kleines Atomkraftwerk heute.

Ein weiterer gewaltiger Vorteil des Ionen- Raketentriebwerks ist die Tatsache, daß es wäh- rend der ganzen interplanetarischen Fahrt ständig in Betrieb sein wird. Bei einer Fahrt zum Mars mit Hilfe konventioneller Triebwerke sind (wie Professor Wernher von Braun berechnet hat) die Raketenmotoren nicht einmal 85 Minuten in Tätigkeit -- bei einer Gesamtreisezeit von 2 Jah- ren und 239 Tagen. Lediglich während dieser 85 Minuten kann die Flugbahn des Raumschiffes korrigiert werden. Bei einem Ionen-Triebwerk können Bahn-Korrekturen in jeder Phase der Reise durchgeführt werden.

Obgleich die Schubleistung eines Ionen-Trieb- werks verhältnismäßig klein ist, verlängert sich die Dauer einer Reise zum Mars und zurück nur uni etwa sieben Monate. Bei einer solchen Fahrt kann man nämlich nicht sofort wieder umkehren -- die Weltraumfahrer müssen erst wieder eine günstige Stellung der Erde zum Mars abwarten. Die beiden Planeten kreisen ja mit unterschied- licher Geschwindigkeit um die Sonne, und nur dann, wenn sie sich wie zwei sich überholende Autos recht nahe kommen, kann man den Sprung von einem Planeten zum anderen wagen.

So umkreist ein von der Erdaußenstation startendes Marsschiff in den ersten 100 Tagen 376 mal die Erde, und erst nach 374 Reisetagen ins- gesamt erreicht dieses Fahrzeug eine Bahn, auf der es in etwa 1 000 km Abstand wie ein Satellit um den Mars kreisen kann. 472 Tage lang würde das Raumschiff Dr. Stuhlingers dann antriebslos um den Mars kreisen. Während dieser Zeit hätten die Besatzungsmitglieder Gelegenheit, mit Hilfe von Begleitfahrzeugen die Oberfläche des Planeten zu erkunden. Danach geht die Reise in ähnlich um- ständlicher 'Art zur Erdaußenstation zurück. Jahrelang hat man den Weltraum-Enthusiasten vorgehalten: Technisch mögen eure Ideen realisierbar sein, aber denkt doch einmal an die Kosten 1 Das gilt heute nicht mehr. Auch wenn die Verwendung von Alkalimetallen als Treibstoff noch manches ungelöste technische Problem aufwirft, so werden die Gesamtkosten einer Marsexpedition dadurch doch gewaltig verkleinert. Sie dürften auf etwa ein Zehntal der Kosten des Braunschen Projektes sinken. Die Fahrt zum Mars rückt damit in greifbare Nähe.

 

aus: hobby Das Magazin der Technik Nr. 8 August 1958

Bearbeitet am: 02.04.2005/ad


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