Raketentreibstoffe für Dummies

Bei dem Thread im Forum über den Plichta Anhänger war ich doch erstaunt wie fanatisch Leute sein können und dabei doch bar jeder Fachkenntnis. Vielleicht sollte ich auch mal eine total abstruse Theorie aufstellen und sehen ob das jemand glaubt wie z.B.. "Billige Raketen die mit Brennspiritus und WC Reiniger fliegen" (Würde übrigens funktionieren, man bräuchte nur jede Menge Stufen und hätte eine sehr geringe Nutzlast).

Für alle die es nicht wissen: Peter Plichta ist jemand der verschiedene Theorien publiziert und medial sehr auffällig ist. Nach seinen eigenen Aussagen hat er zwei Nobelpreise verdient und gehört zu den Menschen die nur einmal pro Jahrhundert geboren werden. Eines was er propagiert, ist der Übergang in das Siliziumzeitalter. Er propagiert Silane als Treibstoff sowohl für Fahrzeuge wie auch Raketen. Man könnte dazu sehr viel schreiben oder auch sehr wenig, z.B. dass die Herstellung von Silanen extrem teuer ist und ein Liter über 100 Euro kostet und das die meisten Überlegungen zur Nutzung wegen der hohen Kosten ad akta legt.

Doch ich will die Gelegenheit mal nutzen, zu erklären warum es keine "Wundertreibstoffe" gibt und wir die Suche danach aufgeben können. Zumindest bei Raketentreibstoffen. Ich will es mal erklären, ohne Formeln und Zahlen. Nur mit Logik.

Also wir stellen uns mal ganz dumm und fragen: Wie funktioniert den da so ein Raketenantrieb? Also im Prinzip ganz einfach. Wir mischen zwei Substanzen, bringen diese zur Reaktion, dabei entsteht ein heißes Gas und dieses Gas beschleunigen wir durch eine Düse. Was einen guten von einem schlechten Treibstoff unterscheidet, ist die Geschwindigkeit mit der das Gas die Düse verlässt. Je höher diese Geschwindigkeit ist, desto weniger Treibstoff benötigen wi,r um einen Orbit zu erreichen, da die Kraft welche die Rakete antreibt proportional zu der Geschwindigkeit ist, mit der die Gase die Düse verlassen.

Soweit verstanden? Nun wie können wir die Geschwindigkeit des Gases bestimmen? Sobald es gebildet ist, wechseln wir von der Chemie zur Physik. Dann gelten die Grundsätze der Thermodynamik Die Geschwindigkeit des Gases nach Verlassen der Düse hängt mit der Geschwindigkeit der Moleküle in der Brennkammer zusammen. Nach der Zustandsgleichung von Gases ist die Geschwindigkeit eines Gasmoleküls von der Temperatur und Atommasse der Moleküle abängig. Dazu ein Vergleich: Nehmen wir an sie sollen Bälle kicken. Die Geschwindigkeit eines Balles hängt ab davon wie fest sie zutreten (Temperatur) und wie schwer der Ball ist (ein Fußball wird schneller sein, als ein Basketball, bei gleicher Kraft).

Die Temperatur hängt wiederum mit der Reaktionsenergie zusammen. Kennt man die Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion, so kann man die Geschwindigkeit der Gasmoleküle berechnen. Nun wie kann man die Reaktionsenergie abschätzen, ohne in Tabellen zu schauen? Schon sind wir wieder bei der Chemie: Im Periodensystem nimmt die Reaktionsenergie zwischen zwei Elementen zu, je weiter diese auseinander liegen. Wenn die Gruppe der Edelgase ausgeblendet, (da sie nicht mit den meisten Substanzen reagieren) so erhält man sehr hohe Reaktionsenergien wenn man ein Element der 7.ten Hauptgruppe (F,Chl,Br,I…) mit denen der ersten Hauptgruppe (H,Li,Na,K,Rb,Cs) umsetzt. Noch etwas höhere Reaktionsenergien erhält man wenn die Distanz diagonal nimmt, also z.B. Fluor mit Cäsium umsetzt.

Die Reaktionsenergie wird aber pro Bindung frei. Nun kommt ein zweiter Umstand zum Tragen. Es reagieren immer nur die Elektronen in der äußersten Schale. Bei Lithium also genauso wie bei Cäsium nur eine Elektron. Allerdings hat Cäsium ein viel höheres Atomgewicht. Bei der Reaktion wird die Reaktionsenergie also auf eine größere Masse verteilt und die Energie pro Gramm sinkt ab. Daher ist es am sinnvollsten die leichtesten Elemente umzusetzen. Dafür gibt es auch noch einen zweiten Grund: Wie schon erwähnt ist die Geschwindigkeit des Gases höher, wenn seine Atommasse gering ist. Das führt uns fast zwanglos zu der optimalen Kombination von Fluor (dem am weitesten rechts und oben stehenden Oxidator) und Wasserstoff (dem am weitesten Links oben stehenden und leichtesten Element). Fast genauso gut, weil das "Abgas" Wasser eine etwas niedrigere Atommasse als Fluorwasserstoff hat, ist die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff.

Eine Reihe von Elementen wäre interessant wie Lithium und Beryllium. Sie haben aber einen Nachteil: Wie die von Plichta vorgeschlagene Silane, entstehen bei der Verbrennung Produkte die bei hohen Temperaturen auskondensieren. Die gesamte Betrachtung gilt nur für Gase. Sobald ein Stoff zum Feststoff wird, fängt er an sich zusammenzuballen zu Staubkörnern und scheidet aus dem Reaktionsgleichgewicht aus. Es gibt nun einen Trick: Man mischt dem Verbrennungsträger Wasserstoff zu. Der Wasserstoff nimmt die Wärme des Kondensats auf und wird erhitzt. Da seine Atommasse 9 mal geringer als die von Wasser ist, resultiert trotzdem ein etwas höhere Geschwindigkeit der Gase.

Wie passen nun Silane in dieses System? Nun der Energiegehalt pro Bindung ist etwas größer als bei Kohlenstoff, der im Periodensystem genau eine Position höher steht. Aber die Atommasse von Silizium ist auch mehr als doppelt so hoch wie beim Kohlenstoff, so dass in der Summe der Energiegehalt pro Gramm geringer ist. Bei dem Einsatz als Raketentreibstoff ist weiterhin wichtig, dass Siliziumoxid (Quarz) und Siliziumnitrid bei sehr hohen Temperaturen aus dem Gleichgewicht als Kondensate ausscheiden.

Warum übrigens die Plichta Anhänger dauernd auf der Verbrennung mit Stickstoff herumreiten ist ein weiteres Rätsel. Zum einen liefert die Verbrennung mit Stickstoff weniger Energie als mit dem Sauerstoff, zum zweiten bezieht eine Rakete ja nicht den Verbrennungsträger aus der Luft sondern aus einem Tank.

Zuletzt noch ein paar Anstöße, die sich jemand zu Herzen nehmen sollte, der Plichta so unkritisch glaubt, diesmal auf den Ersatz von Benzin gemünzt

• Warum reitet er immer auf der Verbrennung mit Luft herum? Bei einer Verbrennung von Benzin braucht man eben etwas mehr Luft, weil nur 20 % davon reagieren. Aber das wars auch schon. im Gegenteil: Die Verbrennung mit Stickstoff liefert weniger Energie als mit Sauerstoff.
• Welche Auswirkungen auf einen Motor aus Metall dürfte es haben, wenn bei der Reaktion Sand entsteht (nichts anderes ist Silziumoxid). Haben sie mal ein Sandstrahlgebläse in Aktion gesehen?
• Warum macht sich keiner mal die Mühe festzustellen, was ein Liter Silane heute kostet? Und warum es so viel kostet?

Ach ja noch der Spruch des heutigen Tages, von Miria aus "Germanys next Topmodell: "Ich glaube das wünscht sich jedes Mädchen in ganz Deutschland in eine Traumvilla zu kommen mit Pool mit Klamotten und Taschen und Sonnenbrillen auf dem Bett, die man behalten darf, es ist wirklich ein Märchen". Jau offensichtlich geht es unserer Jugend noch recht gut, trotz Krise. Ich träume wohl mehr von einem sicheren Arbeitsplatz und stabilen Preisen.