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Rampe frei für Sojus

Hoch konzentriert ins All


Am 21. Oktober 2011 hat eine russische Sojus-ST-Trägerrakete vom Weltraum-bahnhof Kourou, Guayana (Frankreich), zum ersten Mal einen Satelliten des Galileo-Satellitennetzwerks in den Orbit gebracht. Für den nötigen Schub sorgte auch eine Spezialität von Evonik: PROPULSE™, ein hoch konzentriertes Wasserstoffperoxid.


Countdown, die Spannung steigt, Premierenfieber, hochkonzentrierte Phase im Kontrollzentrum. Aber nicht nur dort spielt die Konzentration eine wesentliche Rolle. "Hoch konzentriert" ist auch das Wasserstoffperoxid (H2O2) an Bord der Rakete: 82,5 Prozent. Es treibt die Turbopumpen an, die die eigentlichen Treibstoffe, das Kerosin und den Flüssigsauerstoff, in die Brennkammern drücken. Mehrere Tonnen H2O2 werden dabei während der Startphase innerhalb weniger Minuten verbraucht. Beim ersten Start einer in Russland gebauten Sojus-Rakete in Französisch-Guayana wird auch zum ersten Mal hoch konzentriertes Wasserstoffperoxid von Evonik in der Treibstofftechnologie einer Weltraumrakete eingesetzt.

Der neue Weltraumbahnhof in Kourou ist in einer Zusammenarbeit westeuropäischer Staaten mit Russland unter Führung der europäischen Raumfahrtbehörde ESA erbaut worden. Hinter dem ehrgeizigen Projekt steht eine multinationale Zusammenarbeit, wie sie noch vor Jahren kaum denkbar gewesen ist. Nach Auflösung der Sowjetunion hatte die russische Weltraumbehörde Roskosmos engeren Kontakt zur europäischen Raumfahrtbehörde ESA gesucht. Jetzt also hebt die Kooperation ab in eine neue Ära. Nachdem sich ESA und Roskosmos auf eine Zusammenarbeit bei Sojus-Starts in Französisch-Guayana geeinigt hatten, suchte das russische Unternehmen TsENKI, Dienstleister für Raketenstarts und für deren Versorgung mit Treibstoffkomponenten, auf dem weltweiten Markt nach kompetenten und zuverlässigen Partnern. "Den ersten Kontakt hatten wir schon im Juni 2005", berichtet Dr. Stefan Leininger, Leiter des Segments Spezialchemikalien Active Oxygens (H2O2) bei Evonik. "Wir schickten TsENKI Muster unseres Wasserstoffperoxids PROPULSE™ 825. Nach umfangreichen Untersuchungen des H2O2 und Labortests an Katalysatoren verlief gleich der erste Test an einer Raketenstufe erfolgreich."

Know-how ist allerdings nicht nur für die Produktion und den Einsatz des hochkonzentrierten Stoffes notwendig. Denn dessen Neigung, sich bei Wärme oder in Gegenwart von Schwermetallen zu zersetzen, muss bei Transport und Lagerung unterdrückt werden – zum einen wegen der Sicherheit und zum anderen, um dem Kunden die gewünschte Qualität gleichbleibend und verlässlich liefern zu können. Darüberhinaus benötigt gerade die Anwendung in Raketen ein besonders reines Wasserstoffperoxid. Verunreinigungen würden den Katalysator deaktivieren.

Für den Transport von hoch konzentriertem H2O2 hat Evonik besondere, speziell zugelassene Behältnisse entwickelt. Die Innenwände dieser Thermo-Container werden zunächst in einem aufwendigen Verfahren gebeizt, danach wird eine schützende Passivierungsschicht aufgetragen und mit Wasserstoffperoxid behandelt. Dazu kommen Druckentlastungssysteme sowie Temperatur- und GPS-Überwachung. Derart sicher verpackt gelangt das Wasserstoffperoxid vom badischen Produktionsstandort Rheinfelden auf der Schiene zum Verschiffungshafen an der Nordsee und dann weiter über den Atlantik nach Französisch-Guayana in Südamerika.

Äußerlich ist Wasserstoffperoxid relativ unscheinbar. Es ist eine klare Flüssigkeit, die aussieht wie Wasser. Die normalen handelsüblichen Konzentrationen liegen zwischen 30 und 70 Prozent. Werden es mehr, ist spezielles Know-how gefragt. Leininger: "Evonik hat jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung von Wasserstoffperoxid nach einem selbst entwickelten Verfahren, und wir haben das technische Können, diese wässrigen Lösungen auf bis zu 98-prozentige Qualitäten aufzukonzentrieren." Genau dieses hochkonzentrierte Wasserstoffperoxid wird auch für den Raketenantrieb benötigt.

Was genau also passiert beim Raketenstart? Ein gängiges Flüssigkeitsraketen-triebwerk enthält flüssigen Brennstoff und Sauerstoff in getrennten Behältern. Beides muss mit Hochdruck in das Raketentriebwerk gebracht werden, damit der notwendige Antriebsstrahl erzeugt werden kann. Leininger erklärt: "Das flüssige H2O2 zersetzt sich an einem Schwermetallkatalysator unter großer Hitzeentwicklung. Es entstehen gasförmiger Sauerstoff und Wasserdampf. Gemeinsam treiben sie die Turbopumpen an, die mit 20.000 bis 30.000 Umdrehungen pro Minute durch Schaufelräder das Kerosin und den flüssigen Sauerstoff in die Raketentriebwerke drücken, um den nötigen Schub zu erzeugen."

Bei Evonik gehört Wasserstoffperoxid seit Jahrzehnten fest zum Portfolio. Es ist eines der ältesten Produkte des Konzerns und, das mag paradox klingen, gleichzeitig ein höchst innovatives. Denn obwohl es bereits seit 1818 bekannt ist – in diesem Jahr gelang dem französischen Chemiker Louis-Jacques Thénard erstmals die Synthese – öffnen neue Anwendungen auch heute noch neue Märkte. "Dazu gehört auch die Raumfahrt, in der alternative Antriebssysteme eine immer größere Rolle spielen", sagt Stefan Leininger. "Jetzt sind wir erstmals in diesen Markt eingestiegen."

Evonik produziert jedes Jahr rund 600.000 Tonnen Wasserstoffperoxid. Eine neue Anlage für weitere 230.000 Jahrestonnen baut Evonik in Jilin (China). Dort soll das H2O2 als umweltfreundliches Oxidationsmittel für die chemische Direktsythese von Propylenoxid eingesetzt werden. Produktionsstätten gibt es bereits in Deutschland, Belgien, Österreich, den USA, in Kanada, Brasilien, Korea, Indonesien, Neuseeland und Südafrika. Das Einsatzspektrum von H2O2 ist sehr breit. Die größten Mengen gehen noch in die Zellstoffbleiche und in die Waschmittelindustrie. Zunehmend nutzt die chemische Industrie Wasserstoffperoxid aber auch als umweltfreundliches Oxidationsmittel in der chemischen Synthese. Weitere Anwendungen liegen beispielsweise im Umweltschutz, bei Verpackungen sowie in der Elektronikindustrie. Oder jetzt eben auch, wie der Raketenstart in Kourou gezeigt hat, in Antriebssystemen für Weltraumraketen.

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Bild: NASA