Wie kommen Raketen in den Weltraum?

Seit Jahrhunderten träumt die Menschheit vom Himmel – und vom All. Was einst als utopische Fantasie galt, wurde im 20. Jahrhundert zur Realität. Raketen brachten Menschen und Technik ins Weltall und ermöglichten bahnbrechende Erfolge wie die Mondlandung 1969. Doch was genau steckt hinter diesem technischen Wunder? Wie überwinden Raketen die Schwerkraft, und was passiert auf ihrem Weg in den Weltraum?

Isaac Newtons Rückstoßprinzip ebnet den Weg

Jede Rakete nutzt das Rückstoßprinzip, ein physikalisches Gesetz, das Isaac Newton im 17. Jahrhundert formulierte. Sein drittes Gesetz – auch „Reaktionsprinzip“ genannt – besagt: „Jede Aktion erzeugt eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion.“

Praktisch sieht das so aus: Der Treibstoff in der Rakete wird verbrannt, wodurch heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus den Düsen strömen. Der entstehende Schub treibt die Rakete in die entgegengesetzte Richtung – nach oben. Dieses Prinzip funktioniert unabhängig von der Luft und macht Raketen daher ideal für den Einsatz im Vakuum des Weltraums.

Ein anschauliches Beispiel: Wenn ein aufgeblasener Luftballon losgelassen wird, fliegt er durch den Raum. Der austretende Luftstrom erzeugt den nötigen Antrieb – genauso wie die Gase bei einer Rakete.

Die Herausforderung: Schwerkraft und Geschwindigkeit überwinden

Der Weg ins All beginnt mit einer zentralen Hürde: der Schwerkraft. Um die Erdanziehungskraft zu überwinden, muss eine Rakete mindestens 8 Kilometer pro Sekunde erreichen (rund 28.800 km/h)  – die sogenannte Orbitalgeschwindigkeit. Doch es ist nicht nur die Geschwindigkeit entscheidend. Raketen müssen zusätzlich enormen Widerstand in der Erdatmosphäre überwinden.

Dabei sind die Hauptprobleme:

1. Gewicht: Große Raketen wiegen hunderte Tonnen. Die europäische Ariane 5 beispielsweise bringt rund 700 Tonnen auf die Waage. Nicht nur die Fracht, sondern auch Treibstoff, Triebwerke und die Hülle müssen mit befördert werden.
2. Schubkraft: Der Schub muss größer sein als das Gesamtgewicht der Rakete, um überhaupt abzuheben.
3. Stabilität: Die Rakete darf während des Fluges nicht ins Trudeln geraten.

Stufenprinzip bringt einige Vorteile

Raketen sind in mehrere Stufen unterteilt, die nacheinander zünden und schließlich abgeworfen werden. Dieses Design ist eines der Schlüsselkonzepte moderner Raumfahrttechnik und beruht auf der Notwendigkeit, die Effizienz des Flugs zu maximieren und die Grenzen der Physik zu überwinden. Jede Stufe hat ihren eigenen Treibstofftank, Triebwerke und spezifische Aufgaben, die darauf ausgelegt sind, die Rakete näher an ihr Ziel zu bringen.

Sobald der Treibstoff einer Stufe vollständig verbrannt ist, wird sie abgeworfen, um Gewicht zu sparen. Dies ist essenziell, denn jedes überflüssige Gramm würde zusätzlichen Treibstoffverbrauch bedeuten und die Effizienz des gesamten Fluges erheblich beeinträchtigen.

Mit jeder abgeworfenen Stufe steigt die Beschleunigung

Mit dem Abwurf der verbrauchten Stufen wird nicht nur Gewicht eingespart, sondern auch die Beschleunigung optimiert. Eine leichtere Rakete benötigt weniger Energie, um schneller zu werden.

Dadurch erreicht sie die erforderliche Geschwindigkeit, um die Erdanziehungskraft zu überwinden, deutlich effektiver. Diese clevere Technik macht es möglich, dass Raketen überhaupt in der Lage sind, den Weltraum zu erreichen – eine beeindruckende Kombination aus Ingenieurskunst und präziser Planung.

Ablauf einer typischen Mission

Der Ablauf einer typischen Mission veranschaulicht, wie die Stufentechnik in der Praxis funktioniert. Der Start beginnt mit der Zündung der mächtigen Haupttriebwerke, die als erste Stufe der Rakete dienen.

Diese Triebwerke erzeugen den notwendigen Schub, um die Rakete von der Startrampe abzuheben und durch die dichte Atmosphäre zu bringen. Diese Phase ist besonders anspruchsvoll, da die Rakete dabei den größten Luftwiderstand und die volle Wirkung der Erdanziehungskraft überwinden muss.

Feststoffbooster sorgen für zusätzlichen Schub

Zusätzlich zur Hauptstufe kommen in vielen Raketen wie der Ariane 5 oder der SpaceX Falcon Heavy sogenannte Feststoffbooster zum Einsatz. Diese sind seitlich an der Rakete angebracht und sorgen in den ersten Minuten des Flugs für zusätzlichen Schub. Ihre Aufgabe ist es, die Rakete schnell genug zu beschleunigen, um die kritische Startphase erfolgreich zu meistern.

Dies Booster brennen für eine begrenzte Zeit – in der Regel nur wenige Minuten – und werden danach abgeworfen, da sie nach Verbrauch ihres Treibstoffs keine Funktion mehr erfüllen und nur zusätzliches Gewicht darstellen würden.

Zweite Stufe zündet eigene Triebwerke

Sobald die erste Stufe und die Booster ihren Dienst getan haben, übernimmt die zweite Stufe die Führung. Zu diesem Zeitpunkt hat die Rakete bereits die dichten Schichten der Atmosphäre verlassen und bewegt sich in Regionen mit geringerem Luftwiderstand.

Die zweite Stufe zündet ihre eigenen Triebwerke, um die Rakete weiter zu beschleunigen und näher an die benötigte Orbitalgeschwindigkeit zu bringen. Diese Phase ist entscheidend, da die Rakete nun nicht nur an Geschwindigkeit gewinnen muss, sondern auch ihre Flugbahn weiter stabilisieren und präzisieren muss, um die angestrebte Umlaufbahn zu erreichen.

Mit der dritten Stufe in die letzte Phase des Flugs

Die letzte Phase des Flugs wird von der dritten Stufe übernommen, auch als Oberstufe bekannt. Diese Stufe bringt die Fracht, wie etwa Satelliten, Raumsonden oder Versorgungskapseln, in die finale Umlaufbahn. Die dritte Stufe ist oft so konzipiert, dass sie mehrmals zünden kann, um Kurskorrekturen vorzunehmen oder die präzise Positionierung der Fracht zu ermöglichen.

Diese Fähigkeit ist besonders wichtig, wenn Satelliten exakt in ihrer Umlaufbahn „geparkt“ werden müssen. Jede Abweichung würde zusätzlichen Treibstoffverbrauch bei der späteren Justierung bedeuten und die Betriebszeit des Satelliten verringern.

Ablaufplan: Von der Startrampe ins All

Ein Raketenstart ist eine minutiös geplante Operation. Von der Positionierung der Rakete auf der Startrampe bis zum Zünden der Triebwerke müssen alle Schritte perfekt aufeinander abgestimmt sein. Hier sind die wichtigsten Phasen eines Raketenstarts:

1. Transport zur Startrampe: Die Rakete wird vorsichtig vom Montagegebäude zur Rampe gebracht. Jeder kleine Unfall kann fatale Folgen haben.
2. Befüllung der Tanks: Die Tanks werden kurz vor dem Start mit kryogenen Treibstoffen wie flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff gefüllt. Diese Stoffe sind extrem kalt und erfordern spezielle Handhabung.
3. Countdown: Der Countdown beginnt Stunden vor dem Start. Alle Systeme werden mehrfach überprüft, um sicherzustellen, dass sie fehlerfrei funktionieren.
4. Zündung: Die Haupttriebwerke zünden wenige Sekunden vor dem Abheben, um ihre Stabilität zu prüfen. Wenn alles in Ordnung ist, werden die Booster gezündet und die Rakete hebt ab.

Wichtig zu wissen: Ein Raketenstart ist mit erheblichen Risiken verbunden. Explosive Treibstoffe, hohe Temperaturen und enorme mechanische Belastungen machen jeden Start zu einer Herausforderung. Selbst kleine Fehler können zu katastrophalen Fehlstarts führen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, werden alle Systeme vor dem Start mehrfach getestet, und der Countdown kann jederzeit abgebrochen werden, falls Unregelmäßigkeiten auftreten.

Warum Raketen Richtung Osten und in der Nähe des Äquators starten

Die meisten Raketenstarts erfolgen in Richtung Osten. Das hat einen einfachen Grund: Die Rotation der Erde liefert zusätzlichen Schwung. Da die Erde sich von West nach Ost dreht, erhält eine Rakete, die Richtung Osten startet, eine zusätzliche Geschwindigkeit von etwa 1.675 km/h (am Äquator).

Startplätze nahe dem Äquator, wie das europäische Weltraumzentrum in Kourou (Französisch-Guayana), profitieren besonders von diesem Effekt. Hier ist die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am höchsten

Die Grenze zum Weltraum: Wo beginnt das All?

Wir haben in diesem Beitrag öfter von Weltraum und All geschrieben. Doch wo beginnt es? Die Definition der Grenze zum Weltraum ist nicht einheitlich. Die bekannteste Markierung ist die Kármán-Linie in etwa 100 Kilometern Höhe. Hier wird die Atmosphäre so dünn, dass aerodynamische Kräfte nicht mehr ausreichen, um ein Flugobjekt zu tragen.

Andere Definitionen, wie die der NASA oder der U.S. Air Force, sehen die Grenze bei 80 oder sogar 122 Kilometern. Unabhängig von der genauen Höhe ist klar: Ab dieser Grenze bewegt sich die Rakete in Schwerelosigkeit.