Die Verwendung des Begriffes "Treibstoff" (und ähnliche Begriffe) macht es so kompliziert. Es ist leichter zu verstehen, wenn der Unterschied zwischen dem Energielieferant (Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Sauerstoff, Solar, Nuklear etc.) und dem Vortrieb klar ist.
Treibstoffmasse ist nicht Rückstoßmasse, Beispiele:- Auto: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff (oder elektrisch) liefert die Energie, um mittels Ruckstoß an der Erde selbst Vortrieb zu erzeugen (die Erde wird in die Gegenrichtung beschleunigt)
- Schiff: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff oder Kernbrennstoff liefert die Energie, um mittels Rückstoß im Wasser (Wasser wird in die Gegenrichtung beschleunigt) Vortrieb zu erzeugen
- Propellerflugzeug / Turboprop: Kohlenwasserstoffe mit Luftsauerstoff liefern die Energie, um in der Luft Vortrieb zu erzeugen.
In allen oben genannten Fällen trägt der Energieträger selbst nicht zum Rückstoß bei! Zusätzlich wird nur ein Teil des genutzten Treibstoff mittransportiert, da die andere Hälfte aus der Luft gewonnen wird. Alleine dadurch sinkt die benötigte Treibstoffmasse gewaltig ab (bei Kerosin ist das ca. 1/3!)
- Turbofan: die Abgase von Treibstoff (mit Luft) erzeugen ca. 20% des Vortriebs, der Rest wie oben.
- Turbojet: 100% des Vortriebs durch ausgestoßene Abgase von Treibstoff mit Luft
- Raketentriebwerk: 100% des Vortriebs durch komplett mitgeführten Treibstoff.
In den beiden letzten Fällen wird die Energie des Treibstoff dazu genutzt, sich selbst auf eine möglichste hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, wodurch der Vortrieb erzeugt wird.
Impuls und Newton's 3. Gesetz:Der spezifische (=massenspezifischer) Impuls oder ISP ist der Vortrieb als Kraft (oder Geschwindigkeit im Abgas mal dessen Massenstrom) durch den eingesetzten (Treibstoff + Rückstoßmasse) Massenstrom. Die Einheit des Massenstroms kürzt sich raus, es bleibt daher einfach die Geschwindigkeitseinheit übrig - die korrekte* Einheit für
ISP.
- Bei Raketentriebwerken ist der Abgas-Massenstrom und der Treibstoff-Massenstrom (fast*) das Gleiche. Der Impuls steigt also linear mit der Ausströmungsgeschwindigkeit. Die Energie dazu liefert der Treibstoff selbst. Der Energieinhalt im Abgasstrom steigt jedoch quadratisch mit seiner Geschwindigkeit, weshalb selbst sehr energiereiche Kombinationen wie H2+LOX nur einen ca. 30% höheren ISP liefern als Kerolox Triebwerke, obwohl die Treibstoffkombination ca. 3x mehr Energie freigibt.
- Bei luftatmenden Triebwerke ist der Abgas-Massenstrom nicht gleich dem Treibstoff-Massenstrom - das Verhältnis ist vielmehr ca. Faktor 3. Zwar ist die Ausströmgeschwindigkeit etwas geringer, aber durch den Massenstromfaktor ist ein Turbojet immernoch effektiver! Tabelle mit Werten:
https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_impulse- Bei Turbofans ist der Treibstoff-Massenstrom sehr viel mehr geringer als der Abgas-Massenstrom, da das Abgas nicht nur aus den Verbrennungsprodukten besteht, sondern massgeblich aus unverbrannter Luft, die mittels Fan beschleunigt wurde.
- Autos stoßen sich an der Erde (quasi die Rückstoßmasse) selbst ab, welche fast überhaupt nicht beschleunigt wird.
Um nun den ISP zu erhöhen, muss entweder der Zähler erhöht oder der Nenner erniedrigt werden - am besten Beides. Die Abgas-Geschwindigkeit ist meist (Ausnahme zB solar- oder nuklearelektrische Antriebe) mit dem Treibstoff-Massenstrom über dessen Energieinhalt im Quadrat verbunden. Im Weltall muss jedoch der gesamte Treibstoff und Rückstoßmasse mitgeführt werden. Die einzige Möglichkeit den ISP zu erhöhen ist ein Treibstoff mit einem möglichst hohen Energieinhalt zu nehmen.
Ist jedoch ein Teil des Treibstoffes oder Rückstoßmasse in der Umgebung, bei einem Flug durch eine Atmoshpäre (insbesondere wenn diese Sauerstoff enthält) ist es viel effizienter mit der Energie im Treibstoff statt ein bisschen Masse sehr stark zu beschleunigen, eine sehr grosse Masse nur ein bisschen zu beschleunigen. Die im Treibstoff enthaltene Energie verteilt sich gemäß
Actio=Reactio auf beide Massen. Je geringer die Abgas- oder Rückstoßmasse beschleunigt wird, desto anteilsmäßig größer wird der Anteil der Energie, die das Fahrzeugt beschleunigt und damit der ISP für die gewählte Treibstoffkombi.
* Der ISP entspricht nicht der durchschnittliche) Abgasgeschwindigkeit, wenn ein Teil des Treibstoffes für die Druckerhöhung verbraucht wird und nicht in geringerer Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Beispielsweise beim Gas Generator Cycle wie die F-1 der Saturn 5 Mondrakete.
PS: Ich liege sicherlich in einigen Details daneben und bin unvollständig (insbesondere im Satzbau und Rechtschreibung). Das ist mir bewusst. Ich will hiermit nur den generellen Unterschied klarstellen und hoffe sehr, dass mir dies gelingt. Bitte kreuzigt mich nicht. Fehlerkorrektur bitte per PM!