Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
Released by matroid on Mo. 05. März 2012 07:00:38 [Statistics]
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Physik

\(\begingroup\) Mit diesem Artikel möchte ich euch einen kurzen Einblick in ein Projekt geben, bei dem ich nunmehr seit fast zwei Jahren als Hauptsponsor und Treibstoffchemiker mitwirke: Sugar Shot to Space. Übersetzt heißt dies soviel wie Zuckerschuss in den Weltraum. Der Titel lässt bereits erahnen, dass es um Raketen geht. Präzise ausgedrückt ist das Ziel des Sugar-Shot-to-Space-Projektes, eine von Amateuren gebaute Rakete mit Amateur-Raketen-Treibstoff in den Weltraum zu schicken. Die Grenze des Weltraumes beginnt nach der international am gebräuchlichsten Definition der Fédération Aéronautique Internationale in einer Höhe von 100 Kilometern (Kármán-Linie). Dies wäre nicht das erste Mal, dass eine von Amateuren gebaute Rakete die Grenze des Weltraumes, nach genannter Definition, erreichen würde. Erstmals gelungen ist dies dem sogenannten Civilian Space eXploration Team am 17. Mai 2004 mit ihrer GoFast-Rakete in den USA. Rekordhöhe war damals 72 Miles (120 km).

Im Gegensatz zum Sugar-Shot-to-Space-Projekt verwendete die GoFast-Rakete allerdings das professionelle Raketen-Antriebsmittel APCP (Ammonium Perchlorate Composite Propellant). APCP wurde zum Beispiel in den Space-Shuttle-Feststoffraketen eingesetzt. Er besteht für gewöhnlich aus dem Oxidator Ammoniumperchlorat (NH4ClO4), einem Bindemittel wie HTPB oder PBAN und Aluminium- oder Magnesiumpulver als Brennstoff. Das Sugar-Shot-to-Space-Projekt hingegen verwendet (im Moment) den beliebten Amateurraketen-Antriebsstoff Sorbit/Kaliumnitrat. Sorbit ist ein sogenannter Zuckeralkohol mit der chemischen Summenformel C6H14O6, der als Brennstoff dient, und Kaliumnitrat, das Kaliumsalz der Salpetersäure mit der Summenformel KNO3, das als Oxidator fungiert. Sowohl Sorbit als auch Kaliumnitrat sind als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen - Sorbit als Zuckeraustauschstoff E 420 und Kaliumnitrat als Pökelsalz E 252, womit sich auch die Umweltverträglichkeit dieses Antriebsstoffes erklärt. Die Verbrennungsprodukte der Standard-Zusammensetzung von 65 Anteilen Sorbit und 35 Anteilen Kaliumnitrat sind wie folgt: C6H14O6 + 3,345 KNO3 → 1,870 CO2 + 2,490 CO + 4,828 H2O + 2,145 H2 + 1,672 N2 + 1,644 K2CO3 + 0,057 KOH. Das Gemisch verbrennt ohne sichtbare Flamme unter gewaltiger, weißer Rauchentwicklung. Der Sorbitol/Kaliumnitrat-Raktentreibstoff (kurz KNSB) erfreut sich in Amateurkreisen vor allem deshalb großer Beliebtheit, weil die Bestandteile einfach zu beschaffen sind und der Antriebsstoff relativ unkompliziert und ungefährlich zu verarbeiten ist. Hauptnachteile sind deren Hygroskopizität und der wesentlich geringere spezifische Impuls Isp. Die auf Zucker bzw. Zuckeralkohle basierende Raketenantriebsstoffe haben einen durchschnittlichen spezifischen Impuls zwischen 115 und 130 s, während APCP einen durchschnittlichen spezifischen Impuls zwischen 150 und 180 s aufweist. Manchmal werden dem Sorbitol/Kaliumnitrat-Raketentreibstoff Additive wie Eisen(III)-oxid (Fe2O3) beigemischt, was die Abbrandgeschwindigkeit erhöht. Für gewöhnlich wird der Zuckeralkohol (z. B. Mannit, Isomalt, Lactit, Sorbit oder Xylit) mit dem Oxidator fein vermahlen und dann unter ständigem Rühren auf die Schmelztempertur des Zuckeralkohols gebracht, wodurch eine breiartige Masse entsteht, die dann in entsprechende Formen gegossen wird. Aus diesem Grund wird normalerweise kein Haushaltszucker (Saccharose) verwendet. Saccharose würde zwar durch deren höheren Energiegehalt zu einem etwas höheren Isp führen, jedoch zersetzt sich Saccharose am Schmelzpunkt (Karamelisierung), wodurch der Treibstoff unbrauchbar wird.
Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Entwicklungsstadien des Projektes. Die Mitglieder des Sugar-Shot-to-Space-Projektes sind auf der ganzen Welt verstreut. Was uns alle eint, ist die Begeisterung für Experimental-Raketen. Richard Nakka, Programm-Direktor des Sugar-Shot-to-Space-Projektes, schreibt hier treffend auf seiner Homepage: Amateur Experimental Rocketry is, in my humble opinion, one of the most challenging, exciting and educational hobbies. Unlike Model Rocketry or High Power Rocketry, experimental rocketry is an activity whereby rockets are designed and constructed entirely from "scratch". Most components -- including motor and propellant-- are self-made. Getestet und gestartet wird meistens in der Mojave-Wüste, einem 35000 km2 Gebiet der US-Bundesstaaten Kalifornien, Utah, Nevada und Arizona. Dies hat neben den idealen Test- und Flugbedingungen auch rechtliche Gründe. In vielen europäischen Ländern wie Deutschland ist es ohne entsprechende Genehmigungen nicht erlaubt, pyrotechnische Raketenantriebe herzustellen. Neben einem Herstellerschein nach dem Sprengstoffgesetz ist eine genehmigte Produktionsstätte notwendig. In anderen Ländern wie den USA oder Dänemark hingegen ist der Bau von pyrotechnischen Motoren legal, kann aber, wie in den USA, teilweise durch Transportbestimmungen beschränkt sein. Experimentalraketenbauer nach dem amerikanischen Vorbild findet man daher in Europa vor allem in den skandinavischen Ländern. Bildbeschreibung Abb. 1 Die MiniSShot-Rakete wurde im zweiten Anlauf erfolgreich geflogen. Video 1 zeigt den ersten Flug aus verschiedenen Kamara-Perspektiven. Beim Zünden der zweiten Stufe kam es hierbei zu einem CATO (CATastrOphic motor failure). Video 1 Gerade entwickelt und gebaut wird die DoubleSShot-Rakete. Diese Rakete hat etwa die doppelte Größe der MiniSShot-Rakete und etwa 60 % der Größe der eXSShot-Rakete, die schließlich bis in den Weltraum vorstossen soll. Anforderung an die DoubleSShot-Rakete ist es, eine Höhe größer 30 km zu erreichen. Wie die MiniSShot-Rakete hat die DoubleSShot-Rakete einen sogenannten Dual Phase Motor. D. h., der Raketenmotor ist zweistufig, verwendet aber die gleiche Raketendüse. Abbildung 2 zeigt die 3-D-Zeichung der ersten Stufe des DoubleSShot-Raketenmotors. Viele weitere technischen Daten der drei Versionen kann man hier einsehen. Bildbeschreibung Abb. 2 Die erste statische Testzündung des Raketenmotors fand am 10. September 2011 in der Mojave-Wüste statt. Der Raketenmotor enthiel etwa 75 kg KNSB-Antriebsstoff mit einem Schub von 9000 N. Es war damit der größte jemals gebaute Raketenmotor, der mit Zucker bzw. einem Zuckeralkohol betrieben wurde. Leider kam es auch hier zu einem CATO. Video 2 zeigt die gewaltige Explosion, Video 3 die Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitskamera des Vorgangs. Es wird vermutet, dass ein Stück der ablativen Treibstoff-Gussform die Raketendüse blockiert hat. Video 2 Video 3 Manchmal bin ich, der in der Mega-City Shanghai, China, wohnt, gezwungen, auch selbst Tests mit kleineren Experimental-Flugkörpern durchzuführen. Der eine oder andere Chinese mag sich über diesen lǎowài (chinesisch für Ausländer) wundern. Auf der anderen Seite zeigt man sich verständlich, da in China Feuerwerke sowieso an der Tagesordnung stehen, und hilft sogar mittels eilig herbeigeschafften Bambus-Stangen, den Flugkörper zu bergen. Video 4 zeigt den Start einer kleinen Experimental-Rakete inmitten einer Shanghaier Wohnanlage, bei der ein neuer Treibstoff, eine HD-Kamera und ein Telemetrie-System getestet wurden. Video 4
Wie anfangs erwähnt, bin ich selbst als Treibstoffchemiker in dem Projekt involviert. Zu den Aufgaben zählt es, auf Zuckeralkohol basierende Raketen-Antriebsstoffe zu verbessern. Eine der Ideen diesbezüglich war, eine bessere Methode zu finden, um den Brennstoff mit dem Oxidator möglichst auf molekularer Ebene zu mischen, was dann nach der Stoßtheorie zu einem verbesserten Abbrandverhalten führen würde. Hierzu wurde mit eutektischen Salzgemischen, die als Oxidator zu verwenden sind, experimentiert. Beispielsweise hat Kaliumnitrat einen Schmelzpunkt von 334 °C und Natriumnitrat einen Schmelzpunkt von 307 °C. Mischt man beide Salze in einem gewissen Verhältnis, sinkt der Schmelzpunkt auf etwa 220 °C, siehe Abb. 3. Nun haben Zuckeralkohole kein Pyrolyse-Verhalten wie beispielsweise Saccharose. D. h. man kann Zuckeralkohole weit über deren Schmelzpunkt erhitzen, ohne dass sie sich zersetzen. Auf diese einfachen Überlegungen basierend, wurde ein Verfahren entwickelt, eine Mischung aus Kaliumnitrat, Natriumnitrat und Mannit (das einen hohen Schmelzpunkt von 166-168 °C hat und von allen Zuckeralkoholen die geringste Hygroskopizität aufweist) komplett zu verflüssigen und die Komponenten so auf molekularer Ebene zu mischen. Die Viskosität des verflüssigten Gemisches ist mit Wasser vergleichbar, was zum Vorteil hat, dass sich dieser Raketenantriebsstoff hervorragend in Formen gießen lässt und etwaige eingeschlossene Luftbläschen aus dem verflüssigten Gemisch entweichen können, was beim herkommlichen Verfahren nicht möglich ist, und zu einem nicht zu kalkulierenden Abbrandverhalten des Antriebsstoffes führen kann. Video 5 zeigt einen ersten statischen Test dieses Raketenantriebsstoffes, der kurz PSNM genannt wird (Potassium Sodium Nitrate Mannitol). Bildbeschreibung Abb. 3 Video 5 Leider hat PSNM auch Nachteile. Erstens kommt es bei der Auskristallisierung zu einer partiellen Entmischung der Komponenten, die die Leistung dieses Raketenantriebsstoffes mindert. Zweites ist die Handhabung des verflüssigten Treibstoffes wegen der herabgesetzen Aktivierungsenergie hochgefährlich. Ein Funke, verursacht zum Beispiel durch eine elektrostatische Entladung, reicht aus, um den Treibstoff zur Explosion zu bringen, wie Video 6 zeigt. Video 6 Es gibt aber bereits Ideen, diesen Treibstoff in seiner flüssigen Form als sogenanntes Monergol zu verwenden und einen entsprechenden Flüssigtreibstoff-Raketenmotor zu entwickeln.
Die nächste statische Testzündung eines verbesserten DoubleSShot-Raketenmotors soll noch in diesem März stattfinden. Sollte dieser erfolgreich sein, ist ein Flug der DoubleSShot-Rakete in die Stratosphäre noch dieses Jahr greifbar.
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"Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik" | 16 Comments
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Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Ex_Mitglied_40174 am: Mo. 05. März 2012 12:45:50
\(\begingroup\)Ein super interessanter Artikel! \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Wally am: Mo. 05. März 2012 14:36:04
\(\begingroup\)Sehr spannnend, Markus. Das ist irgendwie ein Artikel über einen meiner Kindheitsträume, als wir noch selbst Zucker und gewisse Chemikalien aus der Gartenabteilung gemischt und angezündet haben. Peter\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Marbin am: Mo. 05. März 2012 16:20:26
\(\begingroup\)Hi Peter, Da scheint unsere Kindheit auf der gleichen Zeitachse gelegen zu haben :) Als es noch ein bezeichnedes Breitbandherbizid in der erwähnten Gartenabteilung der Baumärkte gab...\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: peksmux am: Di. 06. März 2012 14:52:25
\(\begingroup\)Tolle Projekte! Find ich gut, dass du das hier postest.\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Ueli am: Di. 06. März 2012 21:03:57
\(\begingroup\)Ein super Projekt. Darf man einfach nicht den Kindern zeigen! Du hast natürlich hauptsächlich über Chemie geschrieben und das war sehr interessant, aber gibt es auch physikalische Herausforderungen? Die Raketen scheinen ja nicht automatisch gerade nach oben zu steigen. Gruss Ueli\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: mire2 am: Di. 06. März 2012 23:48:26
\(\begingroup\)Da hier ja auch Kinder lesen, dieser jugendfreie Link. ^^ www.youtube.com/watch?v=FHVhIqQM4yo Ansonsten: Toll, dass es auch solche Artikel gibt. Ich hab den gleich an Freunde weiterverlinkt, die auch begeistert waren. Grüße mire2\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Marbin am: Mi. 07. März 2012 01:15:00
\(\begingroup\)Hi Ueli, physikalische Herausforderungen gibt es natürlich in Hülle und Fülle: Antennensimulationen, Telemetrie, Flugbahnberechnungen, Strömungsberechnungen im Unter- und Überschallbereich, De-Spin-Kreiselsteuerung, Flugcomputer, Vakuum-Tests..., um nur ein paar Stichpunkte zu nennen. Ich habe mich bei der kurzen Einführung mehr oder weniger auf den chemischen Aspekt beschränkt, da eines der Hauptmerkmale nunmal der Amateur-Raketentreibstoff ist. \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: grosser am: Mi. 07. März 2012 13:45:05
\(\begingroup\)Schöner interessanter Artikel. Vielleicht hast du Lust mehr darüber zu schreiben, z.B. noch mehr über technische Schwierigkeiten/Besonderheiten usw. \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Marbin am: Fr. 09. März 2012 14:54:01
\(\begingroup\)Hi grosser, Werde versuchen, einen neuen Artikel mehr bezogen auf die physikalische Herausforderungen zu schreiben. Danke für die netten Kommentare allerseits.\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Martin_Infinite am: Sa. 10. März 2012 12:09:16
\(\begingroup\)@Marbin: Ein sehr interessanter Artikel! Das ist wirklich großartig, dass du uns hier an deinem Projekt ein wenig teilhaben lässt. Und es ist auch ansprechender als deine Untersuchungen zur Collatz-Folge (ich konnte erst gar nicht glauben, dass diese 5 Artikel von dir sind) ;-). Einen inhaltlichen Zusammenhang gibt es vermutlich nicht? 😄 Leider verstehe ich von der Chemie herzlich wenig. Ich wünsche euch viel Erfolg bei der DoubleSShot Rakete. Und vielleicht klappt es ja einmal mit dem Mond :-). @mire2: Großartig, Männer dürfen also Kinder bleiben? 😁 Mal im ernst, ich hätte nicht gedacht, dass für das Werfen von Papierfliegern offiziell Weltrekorde aufgestellt werden. Unfassbar ...\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Marbin am: Sa. 10. März 2012 12:35:01
\(\begingroup\)@Martin: Ha! Dass du diesen Mond-Artikel ausgegraben hast...:) Ok, ich oute mich. Gab sogar einen Quarks & Co-Beitrag dazu: www.wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/2009/0602/005_mond.jsp Aus dem Google Lunar X Prize bin ich mittlerweile ausgestiegen. Ich habe mich mit dem Veranstalter (X-Prize Foundation) überworfen. Wie damals Wernher von Braun schon gesagt hat: „Bei der Eroberung des Weltraums sind zwei Probleme zu lösen: die Schwerkraft und der Papierkrieg. Mit der Schwerkraft wären wir fertig geworden.“ \(\endgroup\)
 

leute
von: Ex_Mitglied_40174 am: Mi. 14. März 2012 02:05:33
\(\begingroup\)ich seh da noch kein erfolg also nenn das nicht immer amateurtreibstoff das sieht hier viel amateurhafter aus päng bum knall sag ich nur \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Marbin am: Mi. 14. März 2012 16:10:59
\(\begingroup\)"ich seh da noch kein erfolg". Genau: NOCH keinen Erfolg. "also nenn das nicht immer amateurtreibstoff". Diese Definition stammt nicht von mir, gibt es schon seit den 50er Jahren, siehe en.wikipedia.org/wiki/Rocket_candy oder Bertrand R. Brinley's Buch über Amateur-Raketen aus den 60er Jahren oder Homer Hickam's Buch "Rocket Boys". Oder: nakka-rocketry.net/ "päng bum knall sag ich nur". Genau: Schau dir die Aggregat 4-Tests an, Tests der NASA in den 60er, 70er, 80er, 90er Jahren, Space Shuttle Unglücke...\(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Ex_Mitglied_40174 am: Di. 19. März 2013 16:27:33
\(\begingroup\)Hallo Eine möglichkeit einen Eutektische Treibstoff zu optimieren könnten Guanidinnitrat sein. Guanidinnitrat findet als Treibsatz von Airbags anwendung. Mit Kaliumnitrat und / oder Ammoniumnitrat bildet es niedrig schmelzende Mischung. Ahnlich dem Ammoniumnitrat zersetzt es sich vollständig zu Gasen mit einer leicht negativen Sauerstoffbilanz. Guanidinnitrat ist dabei aber nicht hygroskopisch. \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: komutow am: Do. 05. Dezember 2013 14:40:10
\(\begingroup\)Vielen Dank für die sehr interessanten Ausführungen. Insbesondere mit der Idee eutektische Mischungen herzustellen. AN und NaNO3 kommt wegen der Hygroskopie nicht in Frage. Ich habe eine Mischung von 35% KNO3 und 30% GN in einem Heizgerät aufgeschmolzen ab 190°C ist die Mischung ganz geschmolzen. Anschliessen wurden 30% Mannit und 1% Fe2O3 unter Rühren dazugegeben. Bei 180-190°C war die Viskosität wie Wasser, was ja super wäre. Es wurden ein paar Teströhrchen gegossen und nach dem Abkühlen unter normal Druck angezündet. Die Mischung brenn nicht →GN eignet sich nicht um noch annähernd eine gleiche Leistung zu erzielen, auch nicht nur ein paar %. Ich möchte auch nicht den Mannit Anteil erhöhen das hat auch wieder schlechte Eigenschaften auf die Leistung zur Folge. Was gibt es noch für Tricks/Stroffe um die Viskosität zu verkleinern (also dünnflüssiger) ohne gross die Leistung des Treibstoffes zu verringern? Ich freue mich über ein Feedback gruss komutow \(\endgroup\)
 

Re: Sugar Shot to Space - Praxis der Raketentechnik
von: Ex_Mitglied_40174 am: Di. 13. Mai 2014 10:13:05
\(\begingroup\)Ich selber bin im Moment dabei eine solche Rakete zu bauen, für mein P-Seminar, jetzt habe ich aber das Problem, dass ich nicht genau weiß, wie man die Rakete starten soll und wie man die Treibstofftanks baut. Hätte da jemand ein paar Tipps? \(\endgroup\)
 

 
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