So gefährlich ist das nicht

Mein Hybridraketen-Video hat zu einigen Diskussionen geführt. Insbesondere wurde ich oft gefragt, ob das denn nicht gefährlich ist. Das ist eigentlich gerade ein interessantes Thema für einen Blog, wenn auch nicht speziell passend zu Weihnachten. Umso besser passt es natürlich nach dem grossen Erfolg von SpaceX.

Zuerst eine kurze Einführung in Hybridtriebwerke im allgemeinen. Ein Triebwerk wird genau dann hybrid genannt, wenn seine Treibstoffkomponenten in unterschiedlichen Aggregatszuständen vorliegen. Typischerweise ist das Oxidationsmittel flüssig und der Brennstoff fest. Hier zeigt sich gerade eine grosse Stärke — die Stoffe können sich nicht vermischen und damit explosive Mischungen bilden. Damit sind sie ein Zwischending zwischen Feststoffraketen (z.B. die SRB des Space Shuttles) und Flüssigtriebwerken (z.B. die SSME). Als Oxidator kommen in echten Triebwerken hauptsächlich Sauerstoff O2, Lachgas N2O oder in seltenen Fällen Wasserstoffperoxid H2O2 zur Anwendung. Exotischer, aber durchaus interessant, sind zudem F2, F2O, ClO2, ClF5, N2O4 oder IRFNA. Als Brennstoff kommt meistens ein Kunststoff (z.B. HTPB) zum Einsatz, manchmal mit metallischen (Al) oder metallhydriden Zusätzen (LiH, BeH2). Normalerweise wird der Oxidator über Druckgas in den Brennraum gefördert, was das Design stark vereinfacht gegenüber Flüssigkeitstriebwerken, die meist mit Turbopumpen ausgerüstet sind. Grundsätzlich wäre aber auch Förderung über Turbopumpen möglich.

Für Hobbyanwendung muss es freilich etwas einfacher sein. Als Oxidator kommt fast nur gasförmiger Sauerstoff oder flüssiges N2O in Frage, insbesondere da flüssiger Sauerstoff schlecht erhältlich ist und sich nicht lagern lässt (man müsste sich eine kleine Luftverflüssigungsanlage bauen). Alles andere ist sowieso gefährlich und meist auch hochgradig toxisch. Soll das Triebwerk echt in einer Rakete eingesetzt werden, kommt natürlich eine Sauerstoff-Druckflasche nicht in Frage (viel zu schwer da extrem dickwandig — und viel zu wenig Inhalt pro Volumen). Da muss dann schon flüssiges Lachgas nehmen, welches sich praktischerweise durch den hohen Dampfdruck selbst fördert. Obwohl es zwei “inerte” Stickstoffatome mit sich führt, ist das Resultat für den spezifischen Impuls gar nicht mal so übel, wobei die Dissoziation mit +1.48 MJ/kg (64.9 KJ/mol) ein bescheidener aber willkommener Nebeneffekt ist. Der untere Heizwert von Kunststoffen liegt ungefähr bei 45 MJ/kg (Oxidationsmittel nicht eingerechnet). Als Brennstoff kann man praktisch alles einsetzen — von PE über PMMA/Acryl, PVC (giftige Abgase!), Teer, Paraffin bis hin zu Zellulose (Papprohr) geht alles. Acryl ist besonder chic, da sich damit gar transparente Brennkammern bauen lassen (z.B. Rocket in a Box von Dynetics).

Nun also zu meinem Experiment. Ich setze Sauerstoff aus der Druckgasflasche ein (max. 16.8 MPa). Darauf sitzt ein Druckverminderer, leider ohne Kennzeichnung. Ich vermute mal, dass dieser den Druck auf 0.2 MPa reduziert. Damit haben wir bereits das erste Glied in der Sicherheitskette — nirgends kann der stationäre Druck 0.2 MPa nennenswert übersteigen, nicht einmal in der Brennkammer (sonst würde sofort die Sauerstoffzufuhr versiegen). Zudem schützt ein Rückschlagventil den Druckverminderer, falls es zu einer Verbrennungsinstabilität mit transienter Druckexkursion kommen sollte. 0.2 MPa ist um mehrere Grössenordnungen unter dem Berstdruck der Messingteile; da kann also nichts passieren. Zudem würde sowieso der PVC-Schlauch in der Sauerstoffzuführung zuerst platzen, was relativ harmlos wäre. Sollte irgendwo an der Brennkammer eine Undichtigkeit auftreten, würde eine Stichflamme austreten (vgl. Challenger-Unglück). Daher würde ich das Triebwerk auch nicht in der Hand halten wollen. Und ganz bestimmt sollte sich niemand hinter der Düse befinden, denn da könnten auch mal PE-Fetzchen ausgespuckt werden. Aber ich denke, das versteht sich eigentlich von selbst. Die Brandgefahr ist eigentlich auch darauf limitiert, etwas mit dem heissen Abgasstrahl in Brand zu stecken. Selbstverständlich empfehlen sich trotzdem Schutzmassnahmen wie Schutzbrille, Pamir (Gehörschutz) und bereitstehender Feuerlöscher.

Ich bin eigentlich ganz zufrieden mit dem ersten Versuch. Die Zündsequenz ist noch ziemlich umständlich, auch wenn es ja recht gut geklappt hat. Trotzdem arbeite ich an einer elektrischen Zündung auf Knopfdruck. Der Epoxidharzverguss der Durchführung härtet gerade aus. Zusammen mit einem Magnetventil für den Sauerstoff ergibt sich ein sehr komfortables System. Die Schubdüse habe ich in der Zwischenzeit divergent ausgeführt, um die Überschallströmung zu beschleunigen (Lavaldüse). Hoffentlich sieht man beim nächsten statischen Versuch ein paar Schockdiamanten. Als nächstes steht dann die Konstruktion einer Schubwaage mit DMS-Wägezelle samt Computerauswertung an. Damit lässt sich das Schubprofil F(t) aufzeichnen und der spezifische Impuls Isp berechnen. Zum Kritikpunkt bezüglich Materialauswahl: Ich weiss selber, dass das Triebwerk nicht gerade gewichtsoptimiert ist. Ich bin aber noch nicht mal sicher, ob ich es je in einer Rakete einsetzen werde. Ein Triebwerk macht noch lange keine Rakete. Und zu der Frage, ob man damit schweissen oder brennschneiden könne? Nein, das wird nichts. Das Gemisch ist ziemlich fett, was erstens die Flammentemperatur zu tief werden lässt und zweitens die Werkstücke verrussen würde. Und für das Brennschneiden braucht man sowieso zusätzlich eine Sauerstofflanze (ist selbst für Laserschneiden notwendig). Und ganz abgesehen davon ist der Schub wohl lästig und die Hitze sowie der ohrenbetäubende Krach extrem mühsam. Und der beste Kommentar? “Ha, a bored scientist tried to amuse himself by making a toy!”

Pomplamoose scheint ja ziemlich berühmt geworden zu sein. Vielleicht hört man mittlerweilen auch in Europa von den zwei so unkonventionellen Musikern. Wie wär’s mit dem Eurovision/Amivision Song Contest? Die Hyundai-Werbung ist hier jedenfalls omnipräsent. Nun denn, schöne Weihnachten!

 

Leave a Reply