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Die Reportage vom Euroscience Open Forum 2006 in München, häppchenweise:
Wanna be Thomas Reiter? Kein Problem, hier das Einmaleins des Raketenbaus ...


Verpuffte Forscher und Raketen mit Gewichtsproblem

Immerhin bis zu den Nachbarplaneten der Erde haben es unsere Raumschiffe geschafft. Vor 400 Jahren wäre das undenkbar gewesen. Dabei begann zu dieser Zeit bereits die Erforschung des Raketenantriebs. Mindestens ein Visionär fiel dabei seinem Experiment selbst zum Opfer.

Von Sophie Stigler


Es war um das 16. Jahrhundert, als den chinesischen Mandarin Wan Hu das tragische Schicksal vieler mutiger Erfinder ereilte. Schuld war eine ganz besondere Idee, die ihn schon lange beschäftigt hatte. Was, wenn die Kriegsspeere aus seiner Heimat mehr konnten, als nur den Feind und dessen Pferde mit einer Feuerspur erschrecken? Schließlich flogen sie mit der explosiven Kraft des Schwarzpulvers bis weit in die gegnerischen Dörfer. Was, wenn man mit ihnen noch viel weiter, bis in den Himmel fliegen könnte? Wan Hu war ein Mann der Tat. Er befestigte 47 solcher Feuerwerksraketen an einem Stuhl, setzte sich darauf und zündete sie. Der Legende nach gab es eine beachtliche Explosion. Nachdem sich der Rauch verzogen hatte, fehlte von Stuhl und Mandarin jede Spur.


Eine Frage der Festigkeit

Schon im Kindesalter der Raketen dachte man also daran, mit ihrer Hilfe zum Himmel und den Gestirnen aufzusteigen. Es sollte rund vier Jahrhunderte dauern, bis ein Mathematiklehrer aus einer russischen Kleinstadt errechnete, dass Wan Hus Experiment gar nicht funktionieren konnte. Jener Mathematiklehrer - Konstantin Ziolkowski - wird heute gerne als Großvater der Raumfahrt bezeichnet. „Er war ein hervorragender Wissenschaftler und großer Visionär“, beschreibt ihn Thomas Weber, Leiter des Astronomiemuseums der Sternwarte Sonneberg in Thüringen. „Aufgrund seiner Entdeckungen, wurde Ziolkowski vor allem im Ostblock zu einer Ikone stilisiert.“ Denn er hatte das Rätsel gelöst, weshalb alle bekannten Feststoffraketen für den Flug in den Weltraum offenbar nicht taugten. Feste Treibstoffe allein - zu denen auch Schwarzpulver gehört - würden nie den nötigen Schub erzeugen, um die Anziehungskraft der Erde zu überwinden. Ihre ausströmenden Abgase waren nicht schnell genug. Also war die Rakete selbst auch nicht schnell genug.

Das schnellste Flugobjekt am Horizont ist die Discovery nur auf dieser Fotomontage. Noch höhere Geschwindigkeiten erreichen Satelliten oder Raumsonden auf interplanetaren Flügen. Den Rekord eines bemannten Raumflugs hält die Apollo 10 Mission mit knapp 40.000 km/h. Sie wurde angetrieben von einer Saturn V-Rakete, die auch Neil Armstrong und Edwin „Buzz“ Aldrin zum Mond flog. Doch die Discovery kann mit rund 32.000 km/h gut mithalten. Achtung: Die Geschwindigkeiten sind Mittelwerte, die Proportionen nicht naturgetreu. Bilder: NASA, pixelio.de, Capt. Justin T. Watson/US Air Force, Peter Märki/Rokit, Lufthansa


Der Grund: Es sind die Abgase, welche die Rakete vorwärts schieben - anders als bei einem Auto, für das sie nur Abfallprodukt und für das Vorwärtskommen herzlich egal sind. Die Grundlage dafür hat schon Isaac Newton beschrieben: Um eine Masse auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, bedarf es einer großen Kraft. Je schwerer die Masse und je schneller die Beschleunigung, umso größer muss diese Kraft sein. Der Raketenantrieb für ein Spaceshuttle, etwa 2000 bis 3000 Tonnen schwer und bis zu 40.000 km/h schnell, braucht also auch eine enorme Kraft, die es vorwärts schiebt - den Schub. Den bekommt sie durch den Rückstoß ihrer Abgase. Das Prinzip dahinter beruht auf einem weiteren Newton’schen Gesetz: Jede Kraft erzeugt eine gleich große Gegenkraft in die entgegen gesetzte Richtung. Wie bei einem aufgeblasenem Luftballon ohne Knoten: Einmal losgelassen, strömt die Luft in die eine Richtung aus dem Ballon heraus. Sie erzeugt den Schub in die Gegenrichtung, der den Ballon durch die Luft trudeln lässt - den Rückstoß.


Bitte zu Hause nachmachen!

Ganz ähnlich funktionieren Raketen zum Selbstbasteln. Aus Plastikflasche, Ventil, Luftpumpe und Pappflossen - für Stabilisierung und Raketenlook - ist schnell eine gebaut. Die Luft wird beim Pumpen in die Flasche zusammengepresst, sodass ein Überdruck entsteht. Ist der Überdruck groß genug, sprengt er das Ventil ab. Die überflüssige Luft dehnt sich wieder aus und strömt heraus. Die Flasche fliegt entsprechend in die andere Richtung - wie eine Rakete. Da gibt es nur ein Problem: Eine solche Bastelrakete wäre ein ziemlich lahmes Gefährt, denn die gepumpte Luft wiegt im Vergleich zur Plastikflasche fast nichts. Den Schub für die deutlich schwerere Flasche kann die Luft damit weder mit großer Masse noch besonders schnellem Ausströmen erzeugen. Und die Rakete würde wohl eher hopsen als fliegen. Aber ein echter Bastler findet selbst dafür eine Lösung. Füllt man etwas Wasser in die Flasche, hat anschließend der ausgestoßene Strahl eine deutlich größere Masse, sodass die Flaschenrakete auf über 100 km/h beschleunigt werden kann.


Die meisten Raketen-Forscher wurden vom Militär finanziert - außer Ziolkowski

Dass es eine Rakete mit diesem Rückstoßprinzip sogar bis in den Weltraum schaffen kann, hat Mathematiklehrer Konstantin Ziolkowski um 1900 als Erster erkannt. In seiner Vision machte sich die Menschheit in - wie er sie nannte - Luftschiffen aus Ganzmetall auf, neue Planeten zu besiedeln. Also nicht, um damit Krieg zu führen. „Er war einer von wenigen Wissenschaftlern in der Raumfahrt, die sich nicht für militärische Zwecke einspannen ließen“, sagt Weber, „denn der ganz große Traum vom Flug zu den Sternen spielte kaum eine Rolle bei den Leuten, die das Geld hatten. Und der größte potentielle Geldgeber war nunmal das Militär.“ Ziolkowskis Überlegungen hingegen waren weit weg vom Ziel der ersten weltraumtauglichen Raketen im Zweiten Weltkrieg: dem Transport von Bomben. „Soweit wir wissen, ist er nie auf die Idee gekommen, dass Raketen für so etwas einsetzbar sind. Ziolkowski war da ganz unschuldig.“

Unschuldig und dabei seiner Zeit um Längen voraus. Auch heute noch funktionieren Raketenantriebe exakt nach dem Prinzip, das er schon vor gut einem Jahrhundert beschrieben hat: Bei der Verbrennung der Treibstoffe im Inneren der Rakete entstehen Gase, die sich durch die Hitze ausdehnen und mit gewaltigen Geschwindigkeiten um 18.000 km/h aus dem Hinterteil der Rakete heraus geblasen werden. Der Treibstoff in der Rakete Saturn V, die vor knapp 40 Jahren die ersten Menschen zum Mond brachte, nahm knapp 85 % der Gesamtmasse von Rakete und Raumschiff ein. Bis heute hat sich an diesem äußerst ungünstigen Verhältnis von möglicher Ladung und Treibstoff nichts geändert. Schließlich muss unheimlich viel Masse ausgestoßen werden, um die Rakete vorwärts zu schieben. Und die muss die Rakete erstmal mitschleppen. Um wenigstens ein bisschen Gewicht einzusparen, werden verbrauchte Triebwerke und leere Treibstoffbehälter in mehreren Stufen abgeworfen, sodass die Rakete während des Flugs leichter und damit schneller werden kann. Auf die Erde kehrt nur noch das Raumschiff selbst zurück, vom Ballast hat es sich unterwegs entledigt.


Kleine Gewichtsprobleme wegen zu viel Treibstoff

Die Besonderheit des Raketenantriebs ist neben einer hohen Geschwindigkeit noch eine andere: Im Gegensatz zu Flugzeug-Antrieben funktioniert er auch im Vakuum. Flugzeug-Turbinen brauchen Luft, die angesaugt, verdichtet und erhitzt wieder ausgestoßen wird, um den nötigen Schub zu erzeugen. Im luftleeren Weltraum ist dieser Antrieb natürlich nutzlos: Dort ist nichts, das die Turbinen einsaugen könnten. Eine Rakete muss jeglichen Treibstoff selbst mitbringen. Deshalb wiegt ein gewöhnliches Passagierflugzeug auch nur etwa eine Tonne pro Fluggast, ein Raumshuttle hingegen 300 Mal soviel.

Dieses Verhältnis können in Zukunft elektrische Antriebe verbessern. In Ionen-Antrieben etwa wird der Treibstoff elektrisch aufgeladen und mit Hochspannung beschleunigt, bevor er ausgestoßen wird. Dadurch erreichen die Abgase zehn Mal höhere Geschwindigkeiten als beim klassischen Antrieb.  „Doch das Problem ist: Ionenantriebe brauchen eine Steckdose im Weltraum“, sagt Horst Löb von der Universität Gießen. Er hat einen solchen Ionenantrieb für Satelliten und Raumsonden entwickelt. „Den Strom müssen Solarzellen liefern. Deren Leistung ist aber begrenzt. Sie können nur im Weltraum beschleunigen oder die Flugrichtung korrigieren. Um die Anziehungskraft der Erde zu überwinden, werden wir auch in 50 Jahren noch klassische Triebwerke brauchen.“ Auch an den 300 Tonnen Treibstoff pro Fluggast ist also vorerst kaum zu rütteln. Ein Grund, weshalb lange Zeit nicht nur Wan Hu und Konstantin Ziolkowski von einem Flug in den Himmel und weiter nur träumen konnten.


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2006.


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Abseits von trockenen Theorien.
Begleiten Sie unseren Reporter Christian Keller über den größten europäischen Wissenschaftskongress, das Euroscience Open Forum, 2006 in München. Das Reportage-Häppchen zum Thema Raketen finden Sie links als Video.


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