Raketenantriebe: Treibstoffe, das Vakuum & die CO₂-Frage - Teil 1

«Weltraumforschung & Raumfahrt sind ja schön und gut, aber verursacht das nicht auch wahnsinnig viel CO₂?»

Diese Frage stellte kürzlich ein besorgter Besucher während einer Ausstellungsführung im Space Eye. Seine Überlegung war nachvollziehbar: Grössere und schnellere Fahrzeuge erzeugen oft auch mehr Emissionen – warum sollte das bei Raketen anders sein?

Als Bewunderin der Saturn-V-Rakete könnte man in Versuchung geraten, spontan mit einem bestimmten «Nein» zu antworten und anzufügen: «Das einzige Abfallprodukt, das bei Raketen hinten rauskommt, ist Wasserdampf.»

Doch wie so oft, ist die korrekte Antwort nicht ganz so einfach.

Stöchiometrie, oder «Wie stellt man schon wieder eine Reaktionsgleichung auf?»

Wasserstoff + Sauerstoff  Wasserdampf
2 H₂(l) + O₂(l)  2 H₂O(g) + Energie

Einziges Abfallprodukt ist also Wasserdampf. So oder so ähnlich stellt man sich einen wirklich umweltfreundlichen Antrieb vor. Leider verwendete aber die Saturn V nicht bei all ihren Stufen LH₂ und LOX als Treibstoff.

Die kontrollierte Verbrennung von Kerosin

Die erste, oder unterste Stufe (siehe Abbildung 1) wurde durch die Reaktion von LOX mit Kerosin angetrieben. Dies liegt daran, dass die Reaktion von LOX/LH₂ zwar den grösseren Impuls generiert, aber LH₂ im Vergleich zu Kerosin ein grösseres Tankvolumen erfordert, da flüssiger Wasserstoff eine geringere Dichte hat als Kerosin.

Mit anderen Worten lassen sich in den gleichen Tank weniger Moleküle H₂ quetschen als vom Kerosin-Gemisch. Damit stehen für den Umsatz während der chemischen Reaktion auch weniger Moleküle zur Verfügung. Man wollte also die unterste, naturgemäss grösste Stufe der Rakete auf eine vernünftige Grösse reduzieren, aber trotzdem noch ausreichend Schub erzielen.

Dodecan + Sauerstoff  Kohlenstoffdioxid + Wasserdampf
2 C₁₂H₂₆ (l) + 37 O₂ (l)  24 CO₂ (g) + 26 H₂O (g) + Energie

Die kontrollierte Verbrennung anderer Kohlenwasserstoffe

Tatsächlich werden auch heute noch Raketen mit Kerosin als Treibstoff eingesetzt. Zu den für die bemannte Raumfahrt zugelassenen Modellen (engl. «Crew-rated») zählen beispielsweise die Falcon 9 von SpaceX und die Soyuz-2.1a von Roskosmos (siehe auch Abbildung 4).

Auch das in Planung befindliche «Starship» verursacht beim Start CO₂ Emissionen. Als Treibstoff wird eine Kombination von flüssigem Methan und LOX verwendet. Das Methan-Molekül besitzt zwar nur ein einzelnes Kohlenstoff-Atom, doch auch dieses wird während des Vebrennungsprozesses zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt:

Methan + Sauerstoff  Kohlenstoffdioxid + Wasserdampf
CH₄ (l) + 2 O₂ (l)  CO₂ (g) + 2 H₂O (g) + Energie

Gleiches gilt beim Umsatz von UDMH (Unsymmetrisches Dimethylhydrazin) mit Distickstofftetroxid in den chinesischen «Langer Marsch 2F» Raketen:

UDMH + Distickstofftetroxid  Stickstoff + Kohlenstoffdioxid + Wasserdampf
C₂H₈N₂ (l) + 2 N₂O₄ (l)  3 N₂ (g) + 2 CO₂ (g) + 4 H₂O (g) + Energie

Die Emissionen der Raumfahrt liegen bei 0.01% der globalen Luftfahrt-Emissionen

Allzu leicht könnte man sich nun vielleicht dazu verleiten lassen, die verschiedenen Systeme gegenüberzustellen und «das Beste», mit der geringsten netto CO₂-Produktion zu identifizieren. Doch ganz gleich, welches System in dieser Hinsicht am besten abschneidet – der Fakt, dass sie überhaupt CO₂ produzieren, bleibt ein Problem.

Der aufmerksame Besucher behält teilweise recht

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Raketenstarts trotz ihrer besonders augenscheinlichen CO₂-Emissionen unverzichtbar für die moderne Raumfahrt und Klimaforschung sind. Während die Raumfahrt aktuell nur einen Bruchteil der globalen Emissionen verursacht, ist ihr Beitrag zur Beobachtung des Planeten für Klimamodelle und Umweltdaten entscheidend.

Unser sehr aufmerksamer Besucher hatte also teilweise recht: Auch die Raumfahrt hat Auswirkungen auf das Klima, doch nicht jede Rakete verursacht beim Start gleich viele Emissionen.

Doch ganz abgeschlossen ist damit das Thema «Raketenantriebe» noch nicht – denn wie genau funktioniert ein Raketentriebwerk im Vakuum des Weltalls, wo es scheinbar nichts gibt, an dem sich eine Rakete abstossen könnte? Und warum setzen manche Raketen auf flüssige und andere auf feste Treibstoffe? Diese und weitere Fragen beantworten wir im zweiten Teil dieser Serie.