Wie bewegt sich eine Rakete im Weltall fort?

Der Raketenantrieb: Ein Tanz mit Impuls und Trägheit

Raketen sind die unbestrittenen Könige des Weltraums, die uns zu den Sternen und darüber hinaus befördern. Doch wie schaffen sie es, sich in der scheinbar leeren Weite des Alls fortzubewegen, wo keine Luft zum Abstoßen vorhanden ist? Die Antwort liegt im genial einfachen, aber physikalisch tiefgründigen Prinzip des Rückstoßes, genauer gesagt im Impulserhaltungssatz.

Anders als Flugzeuge, die sich an der Luft abstützen, funktioniert der Raketenantrieb unabhängig von einer äußeren Atmosphäre. Das Herzstück ist der Raketenmotor, in dem Treibstoffe – meist eine Kombination aus Oxidator und Brennstoff – in einer kontrollierten Explosion verbrannt werden. Diese Verbrennung erzeugt extrem heiße, ionisierte Gase mit einem enorm hohen Druck. Diese Gase werden mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse ausgestoßen, die ihre Strömung fokussiert und beschleunigt.

Hier kommt der Impulserhaltungssatz ins Spiel: Der Impuls, ein physikalisches Maß für die Bewegungsmenge, ist in einem abgeschlossenen System immer konstant. Bevor der Treibstoff verbrannt wird, besitzen Rakete und Treibstoff einen gemeinsamen Impuls von Null (Ruhezustand). Nach der Verbrennung ändert sich die Situation dramatisch: Die ausgestoßenen Gase besitzen einen Impuls in eine Richtung – weg von der Rakete. Um den Impulserhaltungssatz zu erfüllen, muss die Rakete einen gleich großen, aber entgegengerichteten Impuls erhalten – sie wird in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Rakete nicht die Gase “gegen etwas” abstößt. Der Schub resultiert aus der Änderung des Impulses der ausgestoßenen Gase. Die Kraft, die die Rakete vorwärts treibt, ist eine direkte Folge des dritten Newtonschen Gesetzes (actio = reactio): Auf jede Aktion folgt eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Reaktion. Die Aktion ist der Ausstoß der heißen Gase, die Reaktion ist der Schub der Rakete.

Die Effizienz des Raketenantriebs hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter der spezifische Impuls des Treibstoffs (ein Maß für die erzeugte Schubkraft pro Treibstoffmenge), die Auslegung der Düse und die Masse der Rakete. Je größer der spezifische Impuls und je geringer die Masse der Rakete, desto größer die erreichbare Beschleunigung. Mehrstufige Raketen lösen das Problem des zunehmend leichteren Raketenkörpers während des Fluges, indem sie verbrauchte Stufen abwerfen und so die Gesamteffizienz steigern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Raketenantrieb ein beeindruckendes Beispiel für die Anwendung fundamentaler physikalischer Prinzipien ist. Die scheinbar simple Idee, heiße Gase auszustoßen, ermöglicht es uns, die Grenzen unserer Erde zu überwinden und das unendliche Universum zu erforschen.