Haben Super Heavy / Starship die Explosionskraft einer Atombombe?
Ich habe mal berechnet, ob eine Saturn V die Explosionskraft einer Atombombe hat, weil ich ein entsprechendes Gerücht bei einem Plagiator gelesen habe. Um es vorwegzunehmen – die Explosionskraft einer beliebigen Rakete kann ich nicht errechnen, weil für diese wesentlich ist, welche Detonationsgeschwindigkeit die Treibstoffe haben. Diese ist bei Explosivstoffen höher als bei „normalen“ chemischen Reaktionen, und selbst wenn man die Detonationsgeschwindigkeit als Maß nimmt, so liegt nicht eine wesentliche Voraussetzung vor – das die Gase vollständig durchmischt sind.
Was man aber vergleichen kann, ist die bei einer Explosion freigesetzte Energie. Als Maß für diese wird die Energie genutzt, die Trinitrotoluol (TNT) bei der Verbrennung freisetzt, das sind 3725 kJ/kg. Wer sich auskennt, sieht das dies eine sehr geringe Energie ist, das liegt daran, das man normalerweise bei Verbrennungen für die Verbrennungsenergie nur den Verbrennungsträger angibt und nicht den Oxidator, den Luftsauerstoff, aber auch der Sauerstoff berücksichtigt ist die Energie gering, das liegt daran das in dem Molekül schon viel Energie durch Oxidation verloren ging, so sind die Nitrogruppen schon vollständig oxidiert, liefern also keine Energie mehr. Das ist vergleichbar der abnehmenden Verbrennungsenergie bei der Oxidationsprodukten des Kohlenstoffs wie Ethan – Ethanol – Essigsäure.
Die SuperHeavy/Starship hat in beiden Stufen zusammen 4.600 bis 4.700 t Treibstoff, die Angaben sind nicht ganz genau. Sie verbrennt Methan mit Sauerstoff im Verhältnis 3,5. Relevant ist aber die stöchiometrische Verbrennung. Sie erfolgt bei Methan nach der Gleichung:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 802,4 kJ/Mol
In Gramm reagieren hier: 16 g Methan mit 64 g Sauerstoff, zusammen also 80 g. Hochgerechnet auf ein Kilogramm sind dies 10.030 kJ/kg Methan/Sauerstoffgemisch, also fast dreimal mehr als bei TNT.
Die 4.600 t Treibstoff bestehen bei der Mixtur 3,5 zu 1 aus 1.023 t Methan und 3.577 t Sauerstoff. Nur der Sauerstoff wird komplett umgesetzt. Dafür benötigt man nach der obigen Reaktionsgleichung ein Viertel der Sauerstoffmenge also 895 t Methan. Die restlichen 128 t betrachte ich als nicht an der Reaktion teilnehmend. In der Praxis würde es so ablaufen, dass ein Teil des Methans zu Kohlenmonoxid oxidiert wird und der andere Teil zu Kohlendioxid. Daneben zerfällt aber auch Methan in Wasserstoff.
16 g Methan liefern 802,4 kJ. Umgesetzt werden nun 895.000.000 g. Diese Menge liefert dann 4,488×1012 J. Teilt man diese Energie durch die bei der Verbrennung von 1 kg TNT freiwerdende (3.725 kJ = 3,7125×106) so erhält man die äquivalente TNT-Menge: 12,049 t, also rund 12 kt. Würde Der Treibstoff also genauso explosiv sein wie TNT, so entspräche seine Sprengkraft 12 Kilotonnen TNT. Aber dazu müsste er vollständig durchmischt sein, ansonsten erfolgt die Verbrennung nur an der Kontaktstelle und die dabei entstehende Energie erzeugt heißes Gas welche den Rest des Treibstoffs auseinander treibt, sodass er nur in geringem Maße an der Reaktion teilnehmen kann. Das ist aber bei einem Unglück der Fall, denn die Treibstoffe stecken ja anfangs in getrennten Tanks. Selbst dann gilt der Vergleich aber nur bei einer ähnlichen Detonationsgeschwindigkeit. Leider fand ich die Detonationsgeschwindigkeit für Methan/Luft nicht. Wasserstoff hat bei der Knallgasreaktion eine Detonationsgeschwindigkeit von 2820 m/s, also eine weniger als halb so hohe wie bei TNT. Ich vermute, dass sie bei Methan in derselben oder etwas geringeren Größenordnung ist.
Es gibt ein Bild von einer N1, die auf dem Pad beim Zurückfallen explodiert ist. Das sind die Schäden, die eine explodiere Super Heavy machen würde.
Nö. es wären größere. Zum einen ist die Treibstoffmenge deutlich größer, zum anderen ist die Reaktion davon abhängig wie viel Treibstoff reagieren kann. Reagieren kann nur gasförmiger Treibstoff. Da Methan bei -162 Grad Celsius verdampft Kerosin aber bei über 200 Grad wird durch die Hitze sehr viel schneller Treibstoff verdampft der dann explosiv reagieren kann.
Die Frage ist tatsächlich, wie die „Explosion“/“Detonation“ einer Super Heavy ablaufen würde. Bei der N1 soll ja über eine halbe Stunde lang Feuer geregnet sein. Angenommen, die Tanks für Methan und Sauerstoff würden gleichzeitig zerstört, würde schnell eine chemische Reaktion in Gang gesetzt. Ob die ersten kleinen Explosionen die Gase dann auseinandertreiben, dürfte relativ unerheblich sein, da genau die beiden Stoffe, die für eine heftige Reaktion benötigt werden, in ausreichender Menge vorhanden sind und es egal ist, wenn die umgebende sauerstoffenthaltende Luft weg gedrückt wird. Es darf durchaus davon ausgegangen werden, dass das Methan nicht voll umgesetzt wird, da die Zündtemperatur von Methan recht hoch ist (die Glut einer glimmenden Zigarette reicht nicht aus, um ein Methan-Luft-Gemisch zu zünden. Wenn man an der Zigarette zieht, ist die Temperatur hoch genug, die Reaktion in Gang zu setzen). Je nachdem, wie sich die Wärme und die Gase von den Reaktionsorten entfernen, ist von unterschiedlichen Mengen, die an der Explosion teilnehmen zu rechnen. Wenn sich ein Pilz, analog einer Atombombe bilden sollte, würde ich durch den im Sog zugeführten Sauerstoff eine annähernd komplette Umsetzung für denkbar halten. Vermutlich aber sehr unwahrscheinlich.
Letzten Endes ist die Frage, wie viel Energie frei gesetzt wird. Da ist der positive Energiebeitrag der Reaktion und der negative Energiebeitrag, der für die Temperaturerhöhung der verflüssigter Gase und deren Expansion zu Gasen notwendig ist, genauso wie die „Kondensationsenergie“ des entstehenden Wasserdampfes. Wie man an gewissen Demonstrationen der Firma SpaceX sehen konnte, setzt sich der komplette Treibstoff offensichtlich nicht explosionsartig um, sondern eher wie eine sehr starke Verbrennung über einige Sekunden bzw. Minuten.
Wichtig zu wissen ist aber auch, das bei der Detonation von großen Mengen eines Sprengstoffes meist nicht 100 % der Sprengstoffes umgesetzt werden. Auch nicht bei TNT und wie man in der Vergangenheit sehen konnte auch nicht bei Ammoniumnitrat.
Für benachbarte Strukturen ist es sicherlich nicht förderlich, dass sich diese in der Nähe einer vorzeitig abbrennenden/detonierenden Super Heavy befinden. Für die Erde an sich, ist es egal ob diese 1.023 Tonnen auf dem einen oder den anderen Weg verbrannt oder unverbrannt in die Atmosphäre gelangen. Wobei Methan noch eine stärkere Klimawirkung hat als Kohlendioxid. Mit dem Methan hätte immerhin ein kleines Dorf in Deutschland ein ganzes Jahr heizen können. Über die Energie für Reinigung, Gewinnung und Kühlung von dem Sauerstoff und dem Methan reden wir besser erst gar nicht.
Btw: ist eigentlich schon in der Vergangenheit ein Raketenbauer auf die Idee gekommen statt normalem Sauerstoff (O2) Ozon (O3) für eine Rakete als Treibstoff zu benutzen. Reaktiver, dafür ca. 1/3 weniger Volumen und einen um 73 Kelvin deutlich niedrigeren Siedepunkt?
Reines flüssiges Ozon hat die unangenehme Eigenschafft hin und wieder spontan zu zerfallen und dann platzt der O3 Tank. Mischen bis um die 23% O3 in O2 sollen relativ stabil sein, aber der energetische Gewinn ist es dem Aufwand und zusätzlicher Gefahr nicht Wert.
Flüssiger Sauerstoff ist schon nervig genug, da willst du nicht dich noch damit rumärgern, dass sich das O3 durch verdampfen von O2 noch selbst anreichert und dann wieder sich selbst zerlegt, wenn es zu stark konzentriert wird, nur weil es eine Startverzögerung gibt.
Also theoretisch würde es Sinn machen, nur die Umsetzung in der Praxis macht es unrentabel. Da ist eine größere Rakete bauen einfacher. (oder mehr Booster dran schrauben)
Also wenn ich davon ausgehe, dass nur eine verschwendend geringe Menge vom SharShip Treibstoff explodiert, sagen wir 10%, dann ist die Explosion immer noch 10% stärker als das Ammonium Nitrat Lager in Beirut, welche auf ein Explosionsäquivalent von 1,1kt TNT kommt)
Außerdem hatte der amerikanische W54 Sprengkopf „nur“ eine Sprengkraft zwischen 20t und 1000t TNT-Äquivalent. Das wird mit fast allen Raketen übertroffen. Was die Leute meinen ist eher die 20kt Klasse wie sie über Japan abgeworfen wurden. Da ist das StarShip noch etwas von entfernt, aber vom Startplatz bleibt nicht viel übrig.
Das es überschallschnelle Explosionen (und nicht nur Deflagrationen) gibt, hat man bereits bei irgendeinem Prototypen bewundern dürfen. Selbst beim letzten mit der extra langsamen Landung musste erstmal ein Feuer gelöscht werden… Zumindest haben sie es schnell genug geschafft bevor es auch dieses mal einen „Doppelstart“ gab.
Ich finde es als Chemiker immer sehr interessant, das ich wohl als einziger nicht ganz genau was wie genau eine Havarie abläuft, also ob es eine Explosion oder Verbrennung ist.
Vergleiche mit Kerosin sind in jedem falle irreführend, dafür gibt es zu wenig explosive Gase , das brennt dann meist am Boden ab. Den sinnigsten Vergleich um es auch Laien zu zeigen gibt es beim ersten Testflug der Atlas Centaur, in diesem Video ab 1:50 zu sehen:
https://www.youtube.com/watch?v=vEHO7YIpu-I
Es explodiert zuerst die Centaur und wegen schnell verdampfender Gase explodiert die Centaur auch wirklich. Erst einige Sekunden später geht dies auch bei der Atlas los, und die brennt noch ziemlich lange nach. Die starke Anfangsexplosion der Atlas resultiert daraus, das der obere Sauerstofftank zuerst hochgeht und den Restwasserstoff zusätzlich verbrennt.
Ausführliche Infos zu Explosionen gibt´s hier:
https://www.chemie.de/lexikon/Kernwaffenexplosion.html
….die Angaben in TNT Äquivalent führen etwas in die Irre…
„12,049 kg, also rund 12 kt.“
Ist das nicht falsch? 12049 kg sind bei mir nur ca 12 Tonnen und nicht Kilotonnen.
Nö es sind 12 kt, nur beim Schreiben habe ich kg und t verwechselt, ist nun korrigiert.
Wie du an der freigesetzten Energie pro Kilogramm siehst liefert Sprengstoff rund dreimal weniger als Methan/LOX und hier reden wir ja alleine schon von eta 4,6 kt Masse.