Treiber-Konzept

Das Treiber-Konzept^[1] ist ein Konzept für die katalytische Unterstützung bei chemischen Triebwerkssystemen insbesondere zur energetisch optimierten Brennraumauslegung. Dieses Konzept wurde vom Ingenieur Mathias Herrmann im Jahre 2021 entworfen und erstmals als deutsches Patent angemeldet.

Konzept[Bearbeiten]

Die Benennung leitet sich aus dem Vorhaben zum zusätzlichen „Antreiben“ der chemischen Reaktion in chemischen Triebwerkssystemen ab. Auch wird somit die katalytische Reaktion von Treibstoffen beschrieben.

Die Leistungsfähigkeit von chemischen Triebwerkssystemen (z. B. Raketen) wird durch die zugrundeliegende chemische Reaktion begrenzt. Chemische Energie wird im Brennraum überwiegend in thermische und dann teilweise weiter in kinetische Energie umgewandelt (bei isobarer Verbrennung). Insbesondere thermische und kinematische Strahlverluste sind relevant für Wirkungsgradverluste des Triebwerkes.^[1] Bei chemischen Raketen sind typischerweise 40–70 % der aufgewendeten Leistung (zugeführte chemische Energie) für den tatsächlichen Schub verfügbar.^[1] Katalysatoren können Einfluss auf chemische Prozesse ausüben (Verringerung der Aktivierungsenergie).^[2]Auch können durch Mitwirkung von Katalysatoren die Temperatur^[2] bzw. Reaktionsbedingungen wie Druck und Geschwindigkeit der Reaktion verändert werden.^[3] Das Treiber-Konzept soll mittels Katalysatoren den energetischen Wirkungsgrad steigern.

Brennräume dienen der möglichst vollständigen Umwandlung von chemischer in überwiegend thermische Energie. In einer nachfolgenden Düse kann verlustbehaftet ein weiterer Teil der thermischen in kinetische Energie umgewandelt werden. Hierzu sind bestimmte Geometrien notwendig um die Temperatur und den Druck bestmöglich in nutzbaren Schub umzuwandeln. Bei Unterschallverbrennung und möglichst hoher Austrittsgeschwindigkeit, z. B. in Raketentriebwerken mit Glockendüse ist die Einschnürung auf die kritische Machzahl auszulegen. Ab der kritischen Machzahl ändern sich die Reaktionsmechanismen und die Düse weitet geometrisch wieder auf. Mittels Katalysatoren kann bei gleichzeitiger Erhöhung des frischen Massenstromes im Brennraum mehr umgesetzt werden (z. B. durch höhere Pumpleistung, angepasste Zuführung mit weniger Widerstand). Dadurch sinkt die erforderliche Einschnürung bis zur kritischen Machzahl. Es resultieren weniger Reibung an der Wandung, weniger Reibung im Massenstrom und weniger nachteilige Querbeschleunigungen.

Weitere Effekte werden mit dem Treiber-Konzept angestrebt:

Veränderliche Anpassung der Reaktionsbedingungen, wie insbesondere Druck, an die Umgebungsbedingungen bei einem Senkrechtstart um kinematische Strahlverluste zu verringern (Aufgrund veränderlichem Außendruck)
Reduzierung der thermischen Strahlverluste (z. B. durch Reduzierung der Reaktionstemperatur)
Durch gesenkte Verbrennungstemperatur erleichterter Einsatz fortschrittlicher Düsenkonzepte (z. B. Aerospikes)
Alternativ Steigerung der Reaktionstemperatur
Kombination unterschiedlicher homogener Katalysatoren in Faserbündeln um z. B. die Ionisierung zu steigern
Vermeidung von „Fouling“ bzw. Reaktionsrückständen an Brennraumwänden
Verringertes Gewicht der Triebwerke durch höheren Durchsatz
Nutzung latenter Wärme bei Phasenübergängen (z. B. zur Kühlung in Brennwandnähe)
Nutzung latenter Wärme für Volumenänderungsarbeit / Schub
Bei katalytischer „Flutung“ von höheren Konzentrationen und Stoffen geringerer Schmelztemperatur z. B. mittels höherer Einspritzgeschwindigkeit eine gezielte Vergleichmäßigung im Brennraum
Vergleichmäßigung des Regelbetriebes
Schonung des Triebwerkes z. B. für Wiederverwendung bei Einsätzen zum Mars

Zusätzlich wird eine Reduzierung von Profilverlusten angestrebt. Auch könnte der Einsatz von Katalysatoren außerhalb des Regelbetriebes vorteilhaft sein um die Bedingungen zu stabilisieren (z. B. Startphase, Brennschlussphase).

Um die homogenen Katalysatoren im Brennraum möglichst gleichmäßig einzubringen können verwendet werden:

Lösungen / Suspensionen (z. B. mit Alkohol)
Fixierung in Wachs / Paraffin

Zur Verwendung sind katalytische Verbindungen mit Refraktärmetallen besonders interessant. Durch die hohe Schmelztemperatur der Refraktärmetalle sind diese bei hohen Temperaturen noch besonders aktiv. Zur katalytischen Flutung bei höheren Konzentrationen sind z. B. Verbindungen aus Eisen oder Titan wirtschaftlich vielversprechend.

Literatur[Bearbeiten]

Ernst Messerschmid u. a.: Raumfahrtsysteme. 4. Auflage. Springer, Berlin/ Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-12816-5.
Erwin Riedel u. a.: Anorganische Chemie. 6. Auflage. Verlag de Gruyter, Berlin/ New York 2004, ISBN 3-11-018168-1.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 LASTPROJEKT.DE – TREIBER-KONZEPT. Abgerufen am 19. Februar 2022.
↑ ^2,0 ^2,1 Institut für Werkstoff-Forschung im DLR: Katalysatoren. Abgerufen am 19. Februar 2022.
↑ Flammenloser Brenner. Abgerufen am 19. Februar 2022.