Was ist ein Kryo-Motor?
Ein Tieftemperaturtriebwerk ist normalerweise ein Raketentriebwerk, das entweder der Schwerkraft der Erde entkommen soll, um Sonden in Abstände zu befördern, oder um Satelliten in die Umlaufbahn zu befördern. Sie verwenden flüssige Brennstoffe, die auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden und die sich ansonsten bei normalem atmosphärischem Druck und normaler Temperatur in einem gasförmigen Zustand befinden würden, wie Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Kraftstoffe werden in einer von zwei Hauptkonstruktionen zur Erzeugung von Treibkraft verwendet. Entweder wird der Wasserstoff als Kraftstoff verdampft und durch das Oxidationsmittel von Sauerstoff gezündet, um Standardheißraketenschub zu erzeugen, oder sie werden gemischt, um superheißen Dampf zu erzeugen, der aus der Motordüse austritt und Schub erzeugt.
Fünf Nationen verfügen derzeit ab 2011 über erfolgreich getestete Tieftemperatur-Antriebssysteme. Dazu gehören die USA, Russland und China sowie Frankreich und Japan. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Lampoldshausen wird derzeit an der Entwicklung von Tieftemperaturantrieben gearbeitet. Indien hat bereits 2009 ein von der indischen Weltraumforschungsorganisation (ISRO) hergestelltes kryogenes Raketendesign in Feldversuchen getestet, was zu einem katastrophalen Versagen des Testfahrzeugs führte.
Kryotechnik für Raketentreibstoffe gibt es bereits seit dem Design der Saturn V-Rakete aus den 1960er-Jahren, die von den amerikanischen Apollo Moon-Missionen eingesetzt wird. Die Haupttriebwerke des US-Space Shuttles verwenden ebenfalls kryogen gelagerte Kraftstoffe, ebenso wie einige frühe Modelle ballistischer Interkontinentalraketen (ICBM), die Russland und China als nukleare Abschreckungsmittel einsetzen. Mit Flüssigbrennstoffen betriebene Raketen haben einen höheren Schub und damit eine höhere Geschwindigkeit als ihre Gegenstücke mit Festbrennstoffen. Sie werden jedoch mit leeren Brennstofftanks gelagert, da die Wartung der Brennstoffe schwierig sein kann und die Motorventile und -anschlüsse mit der Zeit verschlechtern. Die Verwendung von kryogenem Kraftstoff als Treibstoff erfordert Lagereinrichtungen für den Kraftstoff, so dass er bei Bedarf in Raketentriebwerkstanks gepumpt werden kann. Da die Startzeit von Raketen, die von einem Tieftemperatur-Triebwerk angetrieben werden, auf mehrere Stunden verzögert werden kann und die Lagerung von Treibstoff riskant ist, haben die USA in den 1980er Jahren auf alle mit festen Brennstoffen betriebenen Kernkraftwerke umgestellt.
Flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff werden bei -253 ° Celsius (-423 ° Fahrenheit) bzw. -183 ° Celsius (-297 ° Fahrenheit) gespeichert. Diese Elemente sind leicht zu erhalten und bieten eine der höchsten Energieumwandlungsraten von Flüssigkraftstoffen für Raketenantriebe. Sie sind daher die bevorzugten Kraftstoffe für jedes Land, das an kryogenen Motorkonstruktionen arbeitet. Sie erzeugen auch eine der höchsten bekannten spezifischen Impulsraten für den chemischen Raketenantrieb von bis zu 450 Sekunden. Der spezifische Impuls ist ein Maß für die Impulsänderung pro verbrauchter Kraftstoffeinheit. Eine Rakete, die 440 spezifische Impulse erzeugt, wie z. B. ein Space-Shuttle-Tieftemperaturmotor im Vakuum, würde eine Geschwindigkeit von ungefähr 9.900 Meilen pro Stunde (15.840 Kilometer pro Stunde) erreichen längere Zeit.
Eine neue Variante von Tieftemperaturtriebwerken ist das Common Extensible Cryogenic Engine (CECE), das von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) in den USA entwickelt wird. Er verwendet typischen flüssigen Sauerstoff und Wasserstoffkraftstoff, der gesamte Motor selbst ist jedoch auch unterkühlt. Der Kraftstoff wird gemischt, um überhitzten Dampf (2.760 ° Celsius) als Raketenschub zu erzeugen, der von etwas über 100% auf 10% gedrosselt werden kann und zum Manövrieren in Landeumgebungen wie auf der Oberfläche von der Mond. Der Motor wurde erst 2006 erfolgreich getestet und kann in zukünftigen bemannten Missionen auf Mars und Mond eingesetzt werden.