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Raketenantrieb mit Methan

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Am 16. Januar 2007 strahlte eine gleißend blaue Flamme über den Sand der Mojave Wüste. Es sah in vielen Dingen aus wie ein gewöhnlicher Raketentriebwerkstest, aber dieser war anders. Während die meisten NASA Raketen durch flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff, oder feste Chemikalien, angetrieben werden, "testeten wir einen Raketenantrieb mit Methan," sagt die Projektleiterin Terri Tramel, von NASA's Marshall Space Flight Center (MSFC).

Der Hauptantrieb, gebaut und getestet durch das NASA Kontraktorenteam Alliant Techsystems/XCOR Aerospace, befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und ist noch nicht bereit für den Weltraum. Wenn sich die Technik an sich aber bewähren sollte, werden Methanantriebe wie dieser sicherlich eines Tages der Schlüssel für die Erforschung des tiefen Alls sein.

Methan (CH4), der Hauptbestandteil von natürlichem Gas, ist im äußeren Sonnensystem allgegenwärtig. Es kann auf dem Mars, Titan, Jupiter, vielen anderen Planeten und dem Mond gewonnen werden. Wenn Treibstoff am Ziel vorhanden wäre, müsste eine Rakete, die auf der Erde startet, nicht so viel Treibstoff mitnehmen, was die Kosten der Mission reduzieren würde.

Es ist vielleicht überraschend, dass dieses brennende Gas noch niemals zuvor eine Rakete angetrieben hat. Nun entwickeln Forscher und Techniker am Marshall, dem Glenn Research Center und dem Johnson Space Center, LOX/Methan Antriebe als eine Option für die Zukunft. "Es werden derzeit viele Anstrengungen unternommen, wie auch ein rivalisierender Aufbau eines LOX/Methan Antriebs durch KT Engineering," bemerkt Tramel.

 "Diese Arbeiten werden von NASA's Exploration Technology Development Programm finanziert und zeigen, wie heutige Forschungen vielleicht zukünftige wissenschaftliche Missionen unterstützen können," sagt Mark D. Klem, Leiter des Propulsion and Cryogenics Advanced Development Projects am Glenn Research Center.

"Methan hat so viele Vorteile," fährt Tramel fort. "Die Frage ist, warum wir es vorher noch nie benutzt haben?"   

Stellen Sie sich folgendes vor: Flüssiger Wasserstoff, der für das Space Shuttle benutzt wird, muss bei einer Temperatur von -252,9°C -- nur 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt -- gelagert werden! Flüssiges Methan auf der anderen Seite kann bei einer viel höheren und bequemeren Temperatur von -161,6°C gelagert werden. Das bedeutet, dass Methantanks nicht so stark isoliert werden müssten, was sie leichter macht und folglich billiger im Start. Die Tanks könnten auch kleiner sein, weil flüssiges Methan dichter ist als flüssiger Wasserstoff, was erneut Gewicht und Geld spart.

Methan ist auch sehr sicher für den Menschen. Während einige Raketentreibstoffe giftig sind, "ist Methan, was wir einen umweltfreundlichen Antriebsstoff nennen," sagt Tramel. "Sie müssen keinen HAZMAT Anzug tragen um damit zu arbeiten, wie bei Treibstoffen, die für viele Raumfahrzeuge benutzt werden." 

Der attraktivste Punkt an Methan ist, dass es auf vielen Welten existiert oder hergestellt werden kann, die die NASA eines Tages besuchen möchte, inklusive dem Mars.

Obwohl der Mars nicht reich ist an Methan, kann es dort mittels des Sabatier Prozesses hergestellt werden: Mischen Sie etwas Kohlendioxid (CO2) mit Wasserstoff (H), und erhitzen dann das Gemisch um CH4 und H20 -- Methan und Wasser -- herzustellen. Die Marsatmosphäre ist eine reichhaltige Kohlendioxidquelle, und der relativ kleine Anteil Wasserstoff der für den Prozess benötigt wird, kann eventuelle von der Erde mitgebracht oder in situ aus dem Marseis gewonnen werden.

Reist man weiter in das Sonnensystem hinaus, wird es sogar noch einfacher an Methan zu gelangen. Auf Saturns Mond Titan regnet es buchstäblich flüssiges Methan. Titan ist überzogen von Flüssen und Seen aus Methan und anderen Hydrokarbonaten, die eines Tages als Treibstofflager dienen könnten. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die mit Methan angetrieben wird und eine automatische Sonde auf Titan absetzt, um geologische Proben zu sammeln, die Tanks zu füllen und dann diese Proben zur Erde zurückzusenden. Solch eine Mission, in der Proben vom äußeren Sonnensystem zurückgeschickt werden, wurde noch niemals versucht. 

Die Atmosphären von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun enthalten alle Methan, und Pluto hat gefrorenes Methaneis auf seiner Oberfläche. Mit Methanraketen werden vielleicht neue Missionen zu diesen Welten möglich.

Diese erste Serie von Testläufen des 7.500 Pfund Hauptantriebs war ein Erfolg, aber es bleiben noch Herausforderungen bevor Methanraketen fertig sind für eine reale Mission.  "Eine der Hauptfragen mit Methan ist seine Fähigkeit zu zünden," sagt Tramel. Einige Raketentreibstoffe zünden spontan, wenn sie mit einem Oxidationsmittel vermischt werden, aber Methan benötigt eine Zündquelle. Es könnte schwierig sein Zündquellen im All herzustellen, wenn die Temperatur auf den Planeten einige hundert Grad unter Null liegt. Tramel und ihre Kollegen am Marshall und Glenn arbeiten derzeit daran sicherzustellen, dass die Rakete bei allen Temperaturen zuverlässig zündet.

Solche Herausforderungen werden durch die Anstrengungen der NASA überwunden werden, sagt Tramel, und sie glaubt, dass LOX-Methan Antriebe in den Raketen der Zukunft genutzt werden. Die blaue Flamme in der Wüste war ein wunderschöner erster Schritt dorthin.

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