Wenn neue Raketentriebwerke der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erfolgreich sind, könnten sie die Raketentechnologie revolutionieren und die Art und Weise verändern, wie wir ins All gelangen. Das Triebwerk, das als Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) bezeichnet wird, ist so konzipiert, dass es in den frühen Flugphasen atmosphärische Luft verwendet, bevor es für den endgültigen Aufstieg ins All in den konventionellen Raketenmodus wechselt. Wenn alles gut geht, könnte diese neue luftatmende Rakete in etwa vier Jahren für Testzündungen bereit sein.
Herkömmliche Raketen müssen an Bord ein Oxidationsmittel wie flüssigen Sauerstoff mitführen, der in der Brennkammer der Rakete mit Treibstoff kombiniert wird. Das bedeutet, dass Raketen mehr als 250 Tonnen flüssigen Sauerstoffs benötigen können, um zu funktionieren. Sobald dieser Sauerstoff in den ersten Stufen verbraucht ist, werden diese verbrauchten Stufen verworfen, was massive Verschwendung und Kosten verursacht. (Unternehmen wie SpaceX und Blue Origin entwickeln wiederverwendbare Raketen, um dieses Problem zu umgehen, aber sie sind immer noch konventionelle Raketen.)
Herkömmliche Raketen tragen ihren eigenen Sauerstoff, da Temperatur und Druck kontrolliert werden können. Dies garantiert die Leistungsfähigkeit der Rakete, erfordert dafür aber komplizierte Systeme. SABRE macht das Mitführen des meisten Sauerstoffs an Bord überflüssig, aber dies ist nicht einfach.
Die Herausforderung von SABRE besteht darin, den Luftsauerstoff auf etwa 140 Atmosphären zu komprimieren, bevor er in die Brennkammern des Motors eingeleitet wird. Aber eine Komprimierung des Sauerstoffs in diesem Maße erhöht seine Temperatur so stark, dass die Motoren schmelzen würden. Die Lösung besteht darin, die Luft mit einem vorkühlenden Wärmetauscher so weit abzukühlen, dass sie fast flüssig ist. An diesem Punkt kann eine Turbine, die auf Standard-Triebwerkstechnologie basiert, die Luft auf die erforderliche Betriebstemperatur komprimieren.
Das bedeutet, dass sich SABRE zwar in der Erdatmosphäre befindet, aber zur Verbrennung seines Wasserstoffbrennstoffs Luft anstelle von flüssigem Sauerstoff verwendet. Dadurch verbessert sich der Treibstoffverbrauch um das 8-fache. Sobald SABRE etwa 25 km Höhe erreicht hat, wo die Luft dünner ist, wechselt es den Modus und funktioniert wie eine Standardrakete. Wenn es den Modus wechselt, sind es bereits etwa 20 % des Weges in die Erdumlaufbahn.
Wie bei vielen technischen Herausforderungen ist es nicht schwer zu verstehen, was getan werden muss. Die eigentliche Entwicklung dieser Technologien ist äußerst schwierig, auch wenn viele Leute einfach davon ausgehen, dass Ingenieure erfolgreich sein werden. Der Schlüssel für Reaktionsmotoren Ltd , das Unternehmen, das SABRE entwickelt, wird die leichten Wärmetauscher im Herzen des Motors entwickeln.
Wärmetauscher sind in der Industrie weit verbreitet, aber diese Wärmetauscher müssen die einströmende Luft in weniger als 1/100stel Sekunde von 1000 auf -150 °C abkühlen, und das unter gleichzeitiger Verhinderung von Reifbildung. Sie sind extrem leicht, etwa 100-mal leichter als die derzeitige Technologie, wodurch sie erstmals in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden können. Ein Teil des Leichtigkeitsfaktors dieser neuen Wärmeaustauscher ergibt sich aus der Wandstärke des Rohres, die weniger als 30 Mikrometer beträgt. Das ist weniger als die Dicke eines menschlichen Haares.
Reaction Engines Limited sagt, dass diese Wärmetauscher die gleichen Auswirkungen auf Antriebssysteme in der Luft- und Raumfahrt haben werden wie Silikonchips auf Computer.
Eine neue Finanzierungsvereinbarung mit der ESA stellt Reaction Engines 10 Millionen Euro für die Weiterentwicklung von SABRE zur Verfügung. Dies wird die 50 Millionen Pfund erhöhen, die die britische Weltraumbehörde bereits bereitgestellt hat. Diese Investition von 50 Millionen Pfund war das Ergebnis einer positiven Rentabilitätsprüfung von SABRE, die die ESA im Jahr 2010 durchgeführt hat.
Im Jahr 2012 wurde der Vorkühler, ein wesentlicher Bestandteil von SABRE, im Werk von Reaction Engines in Oxfordshire, Großbritannien, erfolgreich getestet. Bild: ESA/Reaktionstriebwerke
2012 wurden der Vorkühler und die Wärmetauscher getestet. Danach folgten weitere F&E, einschließlich der Entwicklung von höhenkompensierenden Raketendüsen, Schubkammerkühlung und Lufteinlässen.
Nachdem die Machbarkeit von SABRE gestärkt wurde, will Reaction Engines bis 2020 ein Boden-Demonstrator-Triebwerk bauen. Wenn die Weiterentwicklung von SABRE gut verläuft und die Erprobung bis 2020 erfolgreich ist, werden diese Air Breathing-Raketentriebwerke in der Lage sein um den Zugang zum Weltraum wirklich zu revolutionieren.
Mit den Worten der ESA: „Die ESA ist zuversichtlich, dass ein Bodentest eines Triebwerks im Untermaßstab erfolgreich durchgeführt werden kann, um das Flugregime und den Flugzyklus zu demonstrieren und ein entscheidender Meilenstein in der Entwicklung dieses Programms und ein wichtiger Durchbruch im weltweiten Antrieb sein wird.“
Her damit.
