Raumfahrt: Das DLR will eine europäische Falcon 9
Retalt (Retro Propulsion Assisted Landing Technologies)(öffnet im neuen Fenster) heißt ein neues EU-Projekt, das wiederverwendbare Raketen für Europa entwickeln soll. Dieses Ziel ist richtig gesetzt. Europa braucht so bald wie möglich eine kostengünstige Raumfahrt mit wiederverwendbaren Raketenstufen. Aber die zwei vorgelegten Konzepte Retalt 1 und Retalt 2 sind dafür von Anfang an nicht geeignet. Insofern ist es ein Glück, dass das Projekt nur mit 3 Millionen Euro von der EU gefördert wird.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) will das Vorhaben mit sechs Industriepartnern angehen. Die Technik orientiert sich äußerlich an der Falcon-9-Rakete. Das Ziel ist es, ein solches System aus wiederverwendbarer Erststufe und herkömmlicher Zweitstufe zu untersuchen, wie es "derzeit den globalen Markt dominiert." So besteht das vorgelegte Konzept aus einer senkrecht landende Raketenstufe mit sieben Vulcain-2-Triebwerken, wie sie auch in der Ariane 5 verwendet werden. Die Oberstufe soll wie bei der Falcon 9 mit einer Geschwindigkeit von Mach 7,1 abgetrennt werden und anschließend landen.
Die Entwicklung einer Oberstufe, die eine Nutzlast von 30 Tonnen in einen niedrigen Erdorbit bringen soll, gehört nicht zum Projekt Retalt 1. Doch mit Callisto und Themis existieren in Europa bereits solche Projekte, die von der französischen Raumfahrtorganisation CNES angestoßen und von der ESA übernommen wurden. Auch deren Konzept orientiert sich an der Falcon 9, und auch sie lassen die Entwicklung einer Oberstufe außen vor.
Ein ungeeignetes Triebwerk kann keine Kosten sparen
Worin sich Themis und Retalt unterscheiden, ist die verwendete Technologie. Der wichtigste und teuerste Teil sind dabei die Triebwerke. Die ESA will das neue methanbetriebene Triebwerk Prometheus verwenden,(öffnet im neuen Fenster) das zur Zeit für den Einsatz in zukünftigen wiederverwendbaren Raketen entwickelt wird. Es soll ab 2025 zur Verfügung stehen und ist das Pendant zum Merlin-Triebwerk der Falcon 9. Bei einem geplanten Stückpreis von einer Million Euro soll es aber noch etwas schubstärker, effizienter und einfacher wiederverwendbar sein.
Die Verwendung des Vulcain-2-Triebwerks(öffnet im neuen Fenster) begründet das DLR damit, dass es sich um erprobte Technologie handele. Dadurch sollen Entwicklungskosten und -risiken gesenkt werden. Doch anders als in der Darstellung des DLR müsste das Triebwerk stark modifiziert werden, um den Einsatz überhaupt denkbar zu machen. Erwähnt wird lediglich, dass die Größe der Raketendüse neu optimiert werden müsse.
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In der Ariane 5 und 6 wird das Triebwerk am Boden gezündet, fliegt mit vollem Schub bis zur Stufentrennung und wird dann abgeschaltet. Die Zündung in der Luft würde die Leistung der Raketen deutlich steigern, wird aber zur Risikominimierung nicht durchgeführt. Beim neuen Vulcain-2.1-Triebwerk wurden sogar Teile der zur Zündung nötigen Technik entfernt, um es billiger und leichter zu machen. Stattdessen laufen etwa die Turbopumpen mit Propangas von der Startrampe an.
Der Neustart eines Raketentriebwerks ist eine Kunst für sich
Das Triebwerk muss nicht nur selbstständig starten können, sondern auch wiederstartbar sein. Das gehört zur höheren Kunst der Triebwerkskonstruktion und wird vermieden, wenn es nicht unbedingt nötig ist. Die Modifikation, um ein Triebwerk im Flug neu starten zu können, macht die Neukonstruktion ganzer Baugruppen und aufwendige Testkampagnen notwendig, um ein zuverlässiges Funktionieren sicherzustellen. Das gilt auch für die Wiederverwendbarkeit bei mehreren Flügen. Ein solches Projekt dürfte in der europäischen Raumfahrt aller Erfahrung nach Hunderte Millionen Euro kosten.
Wie groß der Aufwand ist, sieht man an der Oberstufe der Ariane 5. Sie ist nicht wiederstartbar, weil das kleine HM7-Triebwerk(öffnet im neuen Fenster) in den 1970er Jahren für die Ariane 1 aus Kostengründen so entwickelt wurde. Obwohl die Ariane 5 dadurch äußerst unflexibel ist, wurde den Ingenieuren seitdem nie Zeit und Geld gegeben, um das Triebwerk so zu entwerfen, dass es im Flug neu starten kann. Es ist keine einfache Modifikation. Beim neuen Vinci-Triebwerk der Ariane 6 wird Wiederstartbarkeit als besondere neue Fähigkeit beworben.
Für die Ariane 5 und 6 ist auch die Drosselung des Vulcain-2-Triebwerks nicht notwendig. Selbst mit leeren Tanks reicht der Schub kaum aus, um eine Beschleunigung von 3 g zu erreichen. Das Retalt-Team schreibt auf seiner Webseite lediglich von der Annahme, dass diese Möglichkeit bestehe. Für eine kontrollierte Landung ist die gezielte und möglichst tiefe Drosselung der Triebwerke ohne Verbrennungsinstabilitäten in der Brennkammer aber unabdingbar. Auch dafür müssten Mechanismen entwickelt, eingebaut und getestet werden.
Über 100 Millionen Euro allein für die Triebwerke
Das größte Problem sind aber die Kosten der Triebwerke. Selbst das vereinfachte Vulcain-2.1-Triebwerk soll 10 Millionen Euro pro Stück kosten.(öffnet im neuen Fenster) Mit sieben modifizierten Triebwerken, die deutlich teurer sein werden, wird dann jeder Testflug der Rakete zum finanziellen Wagnis. SpaceX hat mit abgeschriebenen Raketenstufen im Gegenwert von etwa 30 Millionen Euro experimentiert, nach erfolgreich abgeschlossener Mission.
Bei Retalt 1 dürften allein die Triebwerke für die Testflüge mehr als 100 Millionen Euro kosten. Selbst bei reduzierter Zahl der Triebwerke wäre ein Verlust so teuer, dass ein normaler Testbetrieb ausgeschlossen ist. Das ESA-Projekt Themis soll hingegen im Jahr 2025 mit Raketenstufen durchgeführt werden, die mit drei Prometheus-Triebwerken im Wert von 3 Millionen Euro ausgestattet sind. Allein die Untersuchung der Durchführbarkeit von Retalt 1 soll bis 2022 dauern. Bis die erste flugfähige Hardware fertig ist, dürfte Prometheus längst in Massenfertigung sein.
Bei all dem war noch nicht davon die Rede, dass Retalt 1 für die europäische Raumfahrt gänzlich überdimensioniert ist. Die Rakete hätte 50 Prozent mehr Nutzlast als die große Ariane 64, die pro Flug zwei oder drei Satelliten tragen muss, weil größere Satelliten derzeit schlicht nicht gebaut werden. Die Ariane 62 mit weniger als der halben Nutzlast wurde nur entwickelt, um staatliche Missionen ohne zweiten Satelliten zumindest etwas billiger durchzuführen.
Retalt 2 ist noch weniger realistisch
Bei Retalt 2 ist selbst auf der Webseite des Projekts von "eher akademischer Anwendung" die Rede. Es soll sich dabei um eine Kopie des DC-X Programms der 1990er Jahre zur Entwicklung einer kegelförmigen Rakete mit Wasserstoffantrieb und Hitzeschutzschild handeln. "Aber Retalt 2 wird ausschließlich europäische Technologie verwenden" heißt es auf der Webseite. Sie soll ohne Stufentrennung in den Weltraum fliegen können.
Das Konzept der stufenlosen Rakete ist genauso alt wie die Raketengleichung – und die spricht dagegen. Es ist möglich, aber nicht sinnvoll. Die Seitenbooster der Falcon Heavy könnten etwa problemlos allein bis in den Orbit fliegen. Doch schon eine primitive Oberstufe erhöht die Nutzlast deutlich und ist für höhere Orbits absolut nötig.
Um den Orbit mit Wasserstoffantrieb zu erreichen, darf die Rakete im Orbit eine maximale Restmasse von 13,5 Prozent der Startmasse haben. Real muss sie noch leichter sein, denn der Luftdruck beim Start verringert die Effizienz der Triebwerke. In den 13,5 Prozent sind Triebwerke, Tanks, Hitzeschutzschild und Landevorrichtung enthalten. Es muss ein Treibstoffrest für die Landung verbleiben. Sollte danach noch Masse übrig sein, könnte sie für eine Nutzlast verwendet werden.
Beim Management bleibt die Technik außen vor
Praktisch war die europäische Raumfahrt zuletzt aber nicht einmal in der Lage, eine wasserstoffbetriebene Oberstufe für die Ariane 6 zu entwickeln, die weniger als 16 Prozent Restmasse hat. Das alles ohne Hitzeschutzschild, ohne Landebeine, ohne Triebwerke mit ausreichend Schub, um vom Boden abzuheben, und ohne Treibstoffreserve. Die Konstruktion der Ariane-6-Oberstufe entspricht damit dem technologischen Niveau, das die Oberstufe der indischen GSLV Mk III(öffnet im neuen Fenster) erreicht.
Das Projekt Retalt ist in sieben "Work Packages" aufgeteilt: Koordination und Management, Referenzkonfigurationen, Aerodynamik und Hitzebelastung, Flugdynamik und -steuerung, Strukturen und Hitzeschutz, Veröffentlichung und Nutzung der Ergebnisse sowie Ethische Voraussetzungen.
Die Ziele von fünf dieser sieben Pakete werden auf der Webseite mit jeweils einem Satz beschrieben. Ausführlich werden lediglich die Ziele von Koordination und Management sowie von Veröffentlichung und Nutzung der Ergebnisse erläutert. Die Technik, die entwickelt werden soll, fällt dabei völlig unter den Tisch. Das spricht Bände.