Abgase von Raketentriebwerken dringen hoch in die Erdatmosphäre ein

Die wiederverwendbare Raumfahrttechnologie hat zu einem Anstieg des Weltraumtransports zu geringeren Kosten geführt, was durch kommerzielle Raumflüge von Unternehmen wie SpaceX und Virgin Galactic bekannt wurde. Unzureichend erforscht ist jedoch, dass die Antriebsemissionen von Raketen zu einer erheblichen Erwärmung und Veränderung der Zusammensetzung der Atmosphäre führen.

In der von AIP Publishing herausgegebenen Publikation Physics of Fluids haben Forscher der Universität Nikosia in Zypern die möglichen Auswirkungen eines Raketenstarts auf die Luftverschmutzung bewertet, indem sie den Wärme- und Stofftransport und die schnelle Vermischung der Verbrennungsnebenprodukte in Höhen von bis zu 67 Kilometern in der Atmosphäre untersuchten.

“Ein besseres Verständnis von Raketenemissionen erfordert die Modellierung und Simulation der Fluiddynamik von Raketenabgasen in der Atmosphäre”, sagte Mitautor Dimitris Drikakis.

Das Team modellierte die Abgase und die sich entwickelnde Abgasfahne in verschiedenen Höhen entlang einer typischen Flugbahn einer heutigen Standardrakete. Sie taten dies als prototypisches Beispiel für eine zweistufige Rakete, die Menschen und Nutzlasten in die Erdumlaufbahn und darüber hinaus transportiert.

“Wir zeigen, dass die Umweltverschmutzung durch Raketen nicht unterschätzt werden sollte, da häufige Raketenstarts in der Zukunft einen erheblichen kumulativen Effekt auf das Erdklima haben könnten”, sagte Mitautor Ioannis Kokkinakis.

Die Forscher fanden heraus, dass die Produktion von thermischen Stickoxiden (NOx), Komponenten der Verbrennungsabgase, bis in Höhen mit einem atmosphärischen Umgebungsdruck über oder sogar leicht unter dem Austrittsdruck der Düsen, d. h. unter einer Höhe von etwa 10 km, hoch bleiben kann.

Gleichzeitig entspricht die Masse des Kohlendioxids, die beim Aufstieg der Rakete in 1 km Höhe in der Mesosphäre ausgestoßen wird, der Masse, die in 26 Kubikkilometern atmosphärischer Luft in derselben Höhe enthalten ist.

Sie stellten fest, dass die Auswirkungen auf die Atmosphäre lokal und kurzzeitig in der Mesosphäre erheblich sein können. Die Luftströmungen transportieren und vermischen das CO2 aus den Abgasen allmählich in der gesamten Atmosphäre, so dass der CO2-Gehalt schließlich wieder auf sein natürliches Niveau sinkt, aber die Zeitspanne, in der dies geschieht, ist unklar.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass es noch eine gewisse Anzahl von Raketenstarts geben könnte, oberhalb derer sich das Kohlendioxid in der Mesosphäre im Laufe der Zeit anreichern könnte, wodurch sich die natürlich vorkommenden Werte erhöhen und unser Klima beeinträchtigen würden.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass im schlimmsten Fall in der Zeit, die die Rakete braucht, um eine Höhe von 10 Kilometern zu erreichen, genügend NOx produziert werden könnte, um mehr als 2 Kubikkilometer atmosphärische Luft mit einer NOx-Konzentration zu verschmutzen, die nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ein gesundheitsgefährdendes Niveau erreichen würde.

“Wir hoffen, dass kommerzielle Fluggesellschaften wie SpaceX, Virgin Galactic und New Shepard sowie die zugehörigen Triebwerkshersteller diese Auswirkungen bei künftigen Konstruktionen berücksichtigen”, sagte Drikakis.

Datum: Mai 17, 2022
Quelle: Amerikanisches Institut für Physik


Journal Reference:

  1. Ioannis W. Kokkinakis, Dimitris Drikakis. Atmospheric pollution from rocketsPhysics of Fluids, 2022; 34 (5): 056107 DOI: 10.1063/5.0090017

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