Thema: Rückstoßprinzip
 

Thema
Rückstoßprinzip

Einleitung

Raketen starten nach dem Rückstoßprinzip: Unten strömt heißes Gas aus und das treibt die Rakete in die andere Richtung an. Bild: NASA

3 … 2 … 1 … Start! Mit gewaltigem Donner hebt die Rakete ab. Immer schneller steigt sie in den Himmel, verschwindet in den Wolken. Die Crew wird auf dem Weg ins All kräftig durchgeschüttelt und in die Sitze gepresst. Nur etwas mehr als acht Minuten dauert der Aufstieg: Dann ist das Raumschiff mit der Besatzung im Weltraum angekommen und schwenkt in eine Umlaufbahn um die Erde ein. Und wenige Stunden später dockt die Kapsel an der Internationalen Raumstation an. So beginnt für Astronautinnen und Astronauten wie Alexander Gerst oder Matthias Maurer – beide ESA-Astronauten aus Deutschland – ihr Aufenthalt im All. Fliegen wir mal in Gedanken mit und schauen uns zunächst genauer an, wie so ein Start in den Weltraum funktioniert. Hier siehst du ein Video, das den Start auch aus Sicht der Crew zeigt. Also: Anschnallen, Helm auf und los geht’s!

Fangen wir mal mit einer ganz einfachen Frage an: Warum heben Raketen überhaupt ab? Das Zauberwort heißt „Rückstoßprinzip“. Die Raketen sind mit Treibstoff gefüllt, der verbrannt wird und am Ende der Rakete als heißes Gas ausströmt. Das Gas strömt nach unten und das bewegt die Rakete in die entgegengesetzte Richtung, also nach oben.

Zwei Mini-Experimente

Um das besser zu verstehen, kannst du zunächst einmal zwei Mini-Experimente durchführen. Das Gas, das du dabei benutzt, ist nicht heiß – also keine Sorge! Aber das ist auch egal: Ob heiß oder nicht heiß – wichtig ist erst einmal nur, dass da ein Gas ausströmt. Beim ersten Mini-Versuch ist das einfach ganz normale Luft. Denn hier pustest du einen Luftballon auf und lässt ihn los, ohne ihn zu verknoten. Die Luft strömt aus der Öffnung heraus und bewegt den Ballon in die andere Richtung. Vom Prinzip her ist das genauso wie bei Raketen.

Für das zweite Mini-Experiment brauchst du eine Brausetablette und das Röhrchen, in dem diese Tabletten üblicherweise drin sind. Oft sind das Vitamintabletten, von denen man eine in ein Glas mit Wasser füllt – und dann löst sich die Tablette auf, es sprudelt etwas und ein Gas bildet sich. Bei unserem Versuch läuft das etwas anders ab: Du leerst das Röhrchen aus und tust nur eine halbe Brausetablette hinein. Dann muss es schnell gehen: Du gibst ein wenig Wasser ins Röhrchen, machst den Deckel drauf und stellst es auf den Deckel, also falschherum ab. Geh jetzt sofort ein paar Schritte zur Seite! Denn nach wenigen Sekunden hat sich im Röhrchen so viel Gas gebildet, dass das Röhrchen durch den Druck vom Deckel abgesprengt wird und in die Höhe schießt. Übrigens: Das Experiment machst du am besten draußen im Freien oder – wenn das nicht geht – in der Badewanne. Denn beim Start deiner „Vitamintablettenröhrchenrakete“ kann es ordentlich herumspritzen. Und wiegesagt: Halte beim Start ausreichend Abstand, damit du nicht getroffen wirst!

Auf die Masse kommt es an

Beide Mini-Experimente demonstrieren dir auf ganz einfache Weise, wie das Rückstoßprinzip dazu führt, dass Raketen vom Boden abheben.

Raketentriebwerke sind riesig. Hier ein Foto mit dem deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst, das die Dimensionen gut zeigt. Bild: ESA

Aber weder der Luftballon noch das Röhrchen kommen dabei weit – schon gar nicht in den Weltraum. Nach wenigen Augenblicken fallen Ballon und Röhrchen zu Boden. Das liegt natürlich an der Anziehungskraft der Erde, die einfach stärker ist. Um sie zu überwinden, muss der Rückstoß noch viel kraftvoller sein. Deshalb sind in echten Raketen keine Vitamintabletten drin, die nur ein bisschen Gas erzeugen, sondern sie sind mit sehr viel Treibstoff gefüllt, der in den Triebwerken verbrannt wird. Je mehr Verbrennungsgase dann aus den Triebwerken der Rakete strömen, desto mehr Masse wird in ganz kurzer Zeit ausgestoßen – die Fachleute sprechen hier auch von „Massestrom“ oder „Massedurchsatz“. Und umso stärker ist der Rückstoß, der die Rakete auf ihrer Flugbahn antreibt.

Das mit der „Masse“ klingt jetzt vielleicht erst einmal kompliziert. Wir erklären’s dir mit einem weiteren Mitmach-Experiment, für das nur ein Skateboard, ein Tischtennisball und ein Medizinball benötigt werden. Am besten macht ihr das in der Schule – da gibt es sicher aus dem Sportunterricht die entsprechenden Bälle. Jetzt setzt oder stellt sich jemand auf das Skateboard und wirft im ersten Durchgang den Tischtennisball feste zur Seite. Alle anderen beobachten, was passiert. Dann folgt der zweite Durchgang mit dem Medizinball, der ebenfalls feste zur Seite geworfen wird. Wieder sehen alle anderen genau zu. Ihr werdet sicher den Unterschied bemerken. Der Tischtennisball hat wenig Masse – da passiert praktisch gar nichts. Beim Medizinball, der viel mehr Masse hat, sollte es so aussehen wie in diesem Video.

Für alle, die es genau wissen wollen, noch ein paar Anmerkungen: Der Versuch mit dem Medizinball zeigt, dass der Rückstoß von der Masse abhängt, die bei Raketen am unteren Ende ausgestoßen wird. Je mehr Masse, desto mehr Rückstoß. Aber dabei kommt es auch auf die Geschwindigkeit an, mit der das passiert. Wenn ihr den Medizinball ganz langsam von euch werft, hat das kaum einen Effekt. Er muss schon sehr schnell geworfen werden. So ist es auch mit den Gasen bei Raketen: Sie strömen nicht langsam aus den Triebwerken heraus, sondern mit sehr großer Geschwindigkeit. Außerdem macht der Versuch noch etwas anderes deutlich: Viele Menschen meinen, Raketen würden sich beim Start vom Boden abstoßen. Aber der Medizinball stößt sich ja nicht an der Luft oder an irgendetwas anderem ab. Mit anderen Worten: Das Rückstoßprinzip funktioniert, ohne dass sich die Rakete am Boden abstößt. Auch weiter oben auf ihrem Weg ins All und sogar außerhalb unserer Atmosphäre im luftleeren Weltraum führt das Zünden der Triebwerke dazu, dass ein Raumschiff zusätzlichen Schub erhält und schneller wird.

Die Wasser-Luft-Rakete

Klar, aus Raketentriebwerken fallen keine Medizinbälle raus. Aber das Experiment sollte dir ja auch nur zeigen: Mehr Masse sorgt für mehr Rückstoß. Das erkennt man auch gut bei einer Mini-Rakete, die ihr ebenfalls in der Schule selbst bauen und starten lassen könnt.

Die Grafik zeigt die Flaschenrakete, auch Wasserrakete genannt. Bild: DLR

Ihr braucht dafür nur eine Kunststoffflasche (1,5 Liter) und etwas Zubehör. Der normale Plastikverschluss wird dabei gegen einen Korken ausgetauscht, in den man vorher ein Ventil einfügt – das ist ein wenig kniffelig, aber mit einem Bohrer und etwas Geschick schafft man das. Eine Anleitung für den Experimentaufbau einschließlich Startrampe gibt es hier oder auch in diesem Heft auf Seite 18. Wenn alles fertig ist, kann die Flaschenrakete starten – natürlich mit mehreren Metern Sicherheitsabstand und nur mit einer Lehrkraft als Aufsicht, damit sich wirklich niemand verletzt. Deshalb sollte übrigens oben auf die Flaschenrakete ein Tennis- oder Softball drauf. So, jetzt aber zum Start! Dabei folgen wieder zwei Durchgänge: Beim ersten Versuch wird mit einer Luftpumpe nur Luft in die Flaschenrakete gepumpt. Irgendwann ist der Druck so groß, dass sich die Flasche vom Korken löst und nach oben schießt. Beim zweiten Durchgang füllt ihr die Flaschenrakete vorher zu einem Drittel mit Wasser – und erst dann kommt die Luft mit der Pumpe dazu. Ihr werdet wie beim Skateboard-Experiment sehen: Durch die zusätzliche Masse des Wassers, das nach unten aus der Öffnung strömt, ist der Rückstoß viel stärker und die Rakete fliegt viele Meter hoch! Falls du dich jetzt fragst, warum man die Flasche nur zu einem Drittel mit Wasser füllen soll: gute Frage! Die Antwort: Wenn man sie noch mehr auffüllt, passt zu wenig Luft hinein – und die erzeugt ja den Druck, der die Rakete abheben lässt. Wenn ihr das mit eurem Physiklehrer oder mit eurer Physiklehrerin genauer ausprobieren wollt, könnt ihr mehrere Starts mit unterschiedlicher Befüllung machen und jedes Mal die Höhe notieren, die die Rakete je nach Wassermenge erreicht. Dazu filmt man die Starts am besten aus einiger Entfernung, um die Höhe dann abschätzen oder berechnen zu können.

 

Wie hoch solche Wasser-Luft-Raketen fliegen können, zeigt dir dieses Video. Es wurde von einer Schülergruppe gedreht, die das zum Hobby gemacht hat. Schau es dir mal an!

Eine russische Sojus-Rakete beim Start. Nach unten strömen aus den Triebwerken heiße Verbrennungsgase und diese trieben die Rakete in die entgegengesetzte Richtung an. Bild: NASA, Bill Ingalls

Flüssige Gase

Echte Raketen fliegen natürlich noch viel höher. In ihren Tanks befinden sich viele Tonnen Treibstoff. Bei vielen Raketen wie etwa der europäischen Ariane sind das Sauerstoff und Wasserstoff – zwei Gase, die ziemlich heftig miteinander reagieren. Anfangs, wenn die Rakete damit betankt wird, sind beide noch flüssig. Falls du dich jetzt wunderst, wieso ein Gas flüssig sein kann: Denk mal an einen Topf mit kochendem Wasser. Wenn es über 100 °C heiß ist, steigt Wasserdampf auf – also ein Gas. Wenn man den Topf wieder von der Herdplatte nimmt, wird er wieder kühler – und dann gibt es kein Gas mehr, sondern eben nur flüssiges Wasser. Mit anderen Worten: Bei hoher Temperatur ist das Wasser gasförmig, bei niedrigerer Temperatur flüssig. So ähnlich ist das auch mit den Gasen in den Treibstofftanks der Raketen: Sauerstoff und Wasserstoff werden da so stark abgekühlt, dass sie flüssig sind. Dadurch passt einfach mehr davon in die Tanks hinein, denn wenn etwas flüssig ist, sind die einzelnen Teilchen – die Moleküle – enger zusammen als im gasförmigen Zustand. Erst beim Start treffen Sauerstoff und Wasserstoff in den Triebwerken aufeinander und reagieren miteinander – so stark, dass sie als heißes Gas aus der Rakete austreten. Nur mal nebenbei: Es gibt auch andere Treibstoffe für Raketen, die man als Flugbenzin bezeichnet – und auch da wird die Flüssigkeit verbrannt und in ein Gas verwandelt.

Zwei Sachen müssen wir dazu noch anfügen: Erstens befinden sich Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Tanks und erst bei der Verbrennung werden sie vermischt. Dabei entsteht eine sogenannte Knallgasreaktion. Zweitens gibt es neben den flüssigen Brennstoffen auch Feststoffraketen. Das betrifft vor allem die Hilfsraketen, die seitlich am unteren Ende vieler Raketen angebracht sind und die beim Start zusätzlichen Schub verleihen.

Die richtige Geschwindigkeit

Wir fassen mal kurz zusammen: Raketen starten mithilfe des Rückstoßprinzips. Dafür treten Gase aus den Triebwerksdüsen der Rakete aus, die sie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Damit sich eine Rakete schnell genug bewegt und nicht gleich wieder zu Boden fällt, muss am Triebwerk ausreichend Masse austreten. Aber wie schnell muss eine Rakete sein, damit sie bis in eine Umlaufbahn um unseren Planeten kommt? Man kann sehr genau ausrechnen, wie stark die Anziehungskraft der Erde ist. Und weil man sie genau kennt, weiß man: Eine Rakete muss eine Geschwindigkeit von 27.500 Kilometer in der Stunde erreichen. Umgerechnet sind das über 7 Kilometer in einer einzigen Sekunde! Das ist schon wirklich ziemlich schnell! Du kannst ja mal herausfinden, wie weit dein Weg zur Schule ist, und dann berechnen, wie lange du mit Raketengeschwindigkeit von zu Hause bis zur Schule unterwegs wärst. Vielleicht würde das sogar weniger als eine Sekunde dauern …

Das mit der Geschwindigkeit zeigen wir dir hier nochmal in einem ähnlichen Beispiel. Da wird eine Kugel um die Erde herum geschossen. In der ersten Animation ist die Kugel 6.000 Meter in einer Sekunde schnell. Das ist schon ziemlich viel, aber wie du siehst, reicht es nicht, um die Erdanziehung zu überwinden: Die Kugel fällt nach einer Weile wieder zurück auf die Erdoberfläche. In der zweiten Animation ist die Kugel 7.300 Meter pro Sekunde schnell – und mit dieser Geschwindigkeit ist sie schnell genug, um nicht mehr auf die Erde zurück fallen. Mit einer so großen Geschwindigkeit fällt sie sozusagen an der Erde vorbei!

Quelle für beide Animationen: Wikipedia, Todd Timberlake

 

Und hier kommt ein kleines Rätsel für dich zum Nachdenken – die Auflösung folgt ein paar Zeilen später unter dem Video, das dir vielleicht schon ein paar Hinweise gibt. Eine Rakete alleine kann gar nicht so schnell fliegen! Denn sie ist ja ziemlich schwer. Das liegt teilweise an der Rakete selbst, die mit ihrer Hülle ja einiges wiegt. Vor allem aber liegt es an den vielen Tonnen Treibstoff, den sie benötigt. Verrückt, oder? Sie braucht den Treibstoff, um zu starten – aber er wiegt gleichzeitig so viel, dass sie nicht schnell genug wird. Mehr Treibstoff tanken wäre da auch keine Lösung – dann würde sie ja nur noch schwerer. Was tun? Sieh dir mal das Video an, in dem wir mit dem Wissenschaftsjournalisten Karsten Schwanke einige Dinge rund um Raketenstarts erklärt haben.

Hast du die Lösung gefunden? Sie besteht aus einem ziemlich genialen „Trick“: nämlich aus einer Rakete auf einer Rakete! Fachleute sprechen dabei von den Raketenstufen. Jede hat eigene Tanks mit Treibstoff und auch ein eigenes Triebwerk. Wenn die Rakete startet, zündet zuerst nur die untere Stufe – manchmal unterstützt durch kleine Hilfsraketen an der Seite. Nachdem die Rakete einige Minuten lang unterwegs ist und die erste Stufe ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht hat, ist ihr Tank leer und die Hülle wird abgetrennt. Und dann zündet die zweite Stufe ihre Triebwerke. Sie nimmt jetzt die Geschwindigkeit der ersten Stufe mit und wird anschließend noch schneller.

Die Grafik zeigt, wie eine ausgebrannte Raketenstufe abgetrennt wird und die Oberstufe zündet. Bild: NASA

Die Geschwindigkeiten addieren sich also gewissermaßen. Du kannst dir das so vorstellen: Wenn du einen Ball aus dem Stand heraus wirfst, fliegt er vielleicht mit einer Geschwindigkeit von 2 Metern in der Sekunde nach vorne. Wenn du aber schnell rennst und den Ball aus dem vollen Lauf nach vorne wirfst, ist er ja viel schneller: Du rennst vielleicht mit 3 Metern in der Sekunde nach vorne – und dann hat der Ball ein Tempo von insgesamt 5 Metern pro Sekunde. Verstanden? Deine Laufgeschwindigkeit plus die Fluggeschwindigkeit des Balles addieren sich. So ähnlich addieren sich die Geschwindigkeiten der Raketenstufen. Hinzu kommt bei einer Rakete auch noch, dass sie die leere Hülle der ersten Stufe nicht mehr „mitschleppen“ muss: Die ist ja inzwischen ausgebrannt und nur noch unnötiger Ballast.

Im Weltall angekommen

So, und damit sind wir am Ende unserer Erklärungen und du bist in Gedanken im Weltraum angekommen. Es hat zwar etwas länger gedauert als die acht Minuten, die Astronautinnen und Astronauten bis ins All brauchen. Aber zur Belohnung haben wir hier für dich noch etwas ganz Besonderes: Wo du jetzt schon mal in der Umlaufbahn bist, zeigen wir dir hier in einem schönen Video, wie unser Planet von hier oben aussieht. Viel Spaß beim Ansehen!

Quiz

Fast vergessen! Wie immer auf diesen Seiten hier zum Abschluss noch unser kleines Quiz! Mal sehen, ob wir dir alles gut erklärt haben und du die folgenden Fragen beantworten kannst. Die Auflösungen findest du hier. Aber nicht gleich nachgucken, sonst macht’s keinen Spaß!

Online-Vorlesung als Zugabe

Für ältere Schülerinnen und Schüler haben wir hier noch eine Zugabe: Da erklärt Professor Metin Tolan von der TU Dortmund in einer Online-Vorlesung die Sache mit den Raketenstarts ganz genau. Aber Achtung: Da wird’s wirklich kompliziert und das ist eher etwas für alle, die in der Schule schon die Oberstufe besuchen.

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