Rakettdrivstoff

Oppskyting av romfartøy krever enormt mye energi, og derfor tilsvarende store mengder rakettdrivstoff. Romfergen forbrenner på det meste ti tonn i sekundet de to første minuttene av oppskytingsfasen. Av en bæreraketts startmasse utgjør andelen drivstoff gjerne over 90%.

Bærerakettene, dvs. rakettene som bringer romfartøyet fra utskytingsrampen og opp i bane rundt Jorden, benytter to typer drivstoff: Fast drivstoff og flytende drivstoff.

Fast drivstoff

Krutt som brukes i nyttårsraketter er eksempel på fast drivstoff. Det faste drivstoffet som brukes på romferder er av en annen, og mye mer effektiv, type. Enkelt sagt består en rakettmotor eller et rakettrinn med fast drivstoff av et kraftig rør, ofte av stål, med en åpning i den ene enden. I fabrikken blir drivstoffet «støpt» inni røret (motoren) og størkner til ett, sammenhengende stykke. Når dette antennes fyker eksosgassene ut av åpningen og skyver raketten i motsatt retning. Slike motorer kan ikke slokkes før alt drivstoffet er brent ut.

De fleste mindre og middels store rakettvåpen bruker fast drivstoff.

Flytende drivstoff

Flytende drivstoff oppbevares i to tanker. En med brennstoff og en med et oksidasjonsmiddel, f.eks. flytende oksygen. Alt som brenner trenger oksygen, og ettersom romraketter ikke kan ta dette fra luften, som f.eks jetmotorer gjør, må de derfor ha med seg oksygen (eller et annet oksidasjonsmiddel) i en egen tank. Rør bringer brennstoffet og oksidasjonsmiddelet fra de to tankene til rakettmotoren, hvor det blandes, antennes og fyker ut av en åpning i rakettmotoren med stor kraft og skyver raketten fremover. Man kan regulere kraften på slike rakettmotorer, og om nødvendig slå dem av før drivstoffet er brukt opp. Mange motorer med flytende drivstoff kan slås av og på mange ganger under en ferd, helt til tankene er tomme.

Det lages noen titalls forskjellige typer bæreraketter i verden for oppskyting av satellitter og andre romfartøy. Nesten alle benytter flytende drivstoff, og nesten alle disse igjen bruker en eller flere av følgende tre kombinasjoner av brennstoff og oksidasjonsmiddel:

• Parafin og flytende oksygen
• Flytende hydrogen og flytende oksygen
• Hydrazin og nitrogentetraoksid

Hydrogen og oksygen er gasser. For å gjøre dem flytende må de utsettes for et stort trykk eller kjøles ned. Tankene på romraketter må være lette, og kan ikke gjøres kraftige nok til å presse disse gassene til flytende form i normal temperatur. Derfor må de kjøles ned svært mye.

Hydrogen må kjøles ned til minus 253 grader celsius for å bli flytende. Det gjør det vanskelig håndtere og å oppbevare i lang tid, men ettersom en oppskyting som regel bare tar noen minutter er ikke det et uoverkommelig problem.

De fleste satellitter og noen andre romfartøy må gjøre baneendringer mange år etter oppskytingen. Til slike manøvre i rommet benyttes hydrazin, som kan oppbevares i normal temperatur. Men det er mindre effektivt enn f.eks. hydrogen.

Hybride rakettmotorer

Hybride rakettmotorer brukes i enkelte sammenhenger, f.eks. i det private romfartøyet SpaceShipOne. Hybride rakettmotorer er så langt ikke brukt til å skyte opp romfartøy i kretsløp rundt Jorden.

Hybride rakettmotorer benytter fast drivstoff, og har flytende oksidasjonsmiddel plassert i en egen tank. Dermed har man muligheten til å skyvekraftregulere og slå av rakettmotoren underveis.

Kjernefysiske rakettmotorer

Under Apollo-ferdene til månen håpet NASA på å kunne sende av gårde mennesker til Mars i løpet av 1980-tallet. Til dette vurderte de bruk av kjernefysiske rakettmotorer.

Disse skulle benytte flytende hydrogen som drivstoff. Dette skulle presses gjennom en atomreaktor, hvor det ville varmes opp og skyves ut bak med større fart enn kjemisk forbrenning ville få til.

Kjernefysiske rakettmotorer vil dermed kunne ha høyere spesifikk impuls enn kjemiske rakettmotorer. Det betyr at de ville kunne utnytte en gitt mengde drivstoff mer effektivt.

Men kjernefysiske rakettmotorer ville hatt relativt liten skyvekraft, og ville derfor bare være nyttige etter at de allerede var plassert i bane rundt Jorden med konvensjonelle bæreraketter. Derfra skulle de akselerere romfartøyet videre til Mars, bremse ned og gå inn i bane rundt Mars ved ankomst osv.

Fordi bruk av kjernefysiske rakettmotorer regnes som politisk kontroversielt og miljømessig risikabelt er det ikke utviklet slike motorer som kan brukes operasjonelt pr. idag.

Ionemotorer

Ionemotorer brukes på enkelte ubemannede romfartøy. Disse benytter vanligvis xenon som drivstoff. Dette blir ionisert (elektrisk ladet), akselereres i et elektrisk felt og sendes ut av ionemotoren med enda høyere fart enn selv kjernefysiske rakettmotorer klarer.

Ionemotorene må tilføres energi utenfra. Foreløpig er kun solcellepaneler benyttet, men i USA tar et prosjekt med navn Prometheus sikte på å utvikle kjernefysisk drevne ionemotorer, som også vil være krafigere enn dagens. Generatorene som skal benyttes til dette er av en helt annen, sikrere og mer robust type enn det som var aktuelt til de kjernefysiske rakettmotorene som skulle bruke hydrogen som drivstoff.

Ionemotorer har altså enda høyere spesifikk impuls enn kjemiske og kjernefysiske rakettmotorer, og krever derfor relativt sett svært lite drivstoff for å foreta en gitt hastighetsendring. Men skyvekraften er særdeles lav, bare noen gram (noen titalls Newton) på de som brukes i dag. De brukes derfor bare til finjustering av banen til noen satellitter (flere store, moderne kommunikasjonssatellitter), samt på noen få romsonder.

I sistnevnte tilfelle bruker en ionemotor flere måneder på å foreta den samme hastighetsøkningen (eller -endringen) som en kjemisk rakettmotor ville brukt noen minutter på. Fordi en romsondeferd likevel kan ta både måneder, og ofte år, lønner det seg likevel i det lange løp å benytte ionemotorer.