Wie groß ist der Vorteil eines kleinen Starship?
In der ersten Stufe der aktuellen Falcon 9 befindet sich etwa 3,4-mal so viel Treibstoff wie in der zweiten Stufe. Übertragen auf das Starship dürfte die zweite Stufe nur 950 statt 1.500 Tonnen Treibstoff tragen, mit 3.250 Tonnen Treibstoff in der ersten Stufe. Mit der leichteren Oberstufe würde sich vor allem die Geschwindigkeit bei der Stufentrennung erhöhen, was die Leistungsanforderungen an die Konstruktion stark reduzieren würde.
Mit den im Vergleich zur Falcon 9 etwa 17 Prozent effizienteren Raptor-Triebwerken und der robusteren Super-Heavy-Stufe, die höhere Geschwindigkeiten beim Wiedereintritt aushält, könnte so ein kleineres Starship bei der Stufentrennung statt nur 4.400 km/h über 7.000 km/h erreichen (8.500 km/h inklusive Erdrotation), wenn die Super Heavy am Fangturm landet. Bei einer Landung der ersten Stufe im Meer wäre eine noch höhere Geschwindigkeit der zweiten Stufe möglich.
Kleiner, leichter und weniger Triebwerke
Durch die höhere Anfangsgeschwindigkeit benötigt ein kleineres Starship beim Start auch weniger Schub im Verhältnis zum ohnehin schon reduzierten Gewicht. Es könnte also mit 3 statt 6 Raptor-Triebwerken auskommen, was noch mehr Gewicht und Kosten einsparen würde. Wegen des geringeren Gewichts wären auch für die Landung weniger Schub und Treibstoffreserve nötig.
Dabei wäre für das kleinere Starship schon aufgrund der Größe ein 36 Prozent geringeres Leergewicht zu erwarten. Dieses ist allerdings unbekannt und muss abgeschätzt werden. Die Tatsache, dass das aktuelle Starship mit zwei Triebwerken landet, bedeutet ein absolutes Minimalgewicht von knapp 200 Tonnen. Berechnungen deuten jedoch auf wenigstens 250 Tonnen oder eine äquivalente Minderleistung der Triebwerke hin. Im Folgenden wird angenommen, dass das leere Starship mit einer Masse von 250 Tonnen ohne Nutzlast zumindest in den Orbit fliegen und anschließend landen kann.
Ein einfach nur verkleinertes Starship hätte im Vergleich zunächst nur 160 Tonnen Leergewicht, wenn es im Orbit ankommt. Aber die fehlende Nutzlastverkleidung, ein eingespartes Triebwerk, eine um rund 10 Tonnen geringere Treibstoffreserve für Deorbitierung und Landung sowie eine insgesamt kompaktere und damit stabilere Bauweise dürften das Gewicht zumindest auf 130 bis 140 Tonnen reduzieren.
Die um 0,7 km/s erhöhte Abtrenngeschwindigkeit bedeutet außerdem, dass am Ende des Fluges 30 Tonnen Treibstoff nicht zur weiteren Beschleunigung des Starship genutzt werden müssen. Mit dem kleinen Starship gelangen also nur 190 Tonnen in den Orbit, was zu erwarten war und viel weniger als die 250 Tonnen des großen Starships sind. Aber es trägt 50 Tonnen Nutzlast!
50 bis 100 Tonnen mehr Nutzlast wären bei der gleichen Technik möglich
Mit einer Landung der ersten Stufe im Meer könnte die Abtrenngeschwindigkeit um weitere 0,7 km/s erhöht werden, noch mehr wäre unter Berücksichtigung der höheren Effizienz der Triebwerke beim Abbremsmanöver und der höheren Wiedereintrittsgeschwindigkeit des Boosters möglich. Aber schon ohne diese weiteren Einsparungen gelangen rund 225 Tonnen in den Orbit, davon etwa 90 Tonnen Nutzlast.
Dabei ist noch nicht berücksichtigt, dass hier nur das Starship verkleinert wird, ohne gleichzeitig die erste Raketenstufe zu vergrößern, um den vollen Schub der Triebwerke beim Start auszunutzen. Beide Stufen könnten dann 13 Prozent größer sein und die Nutzlast läge rechnerisch bei über 100 Tonnen. Aber da die genauen technischen Daten des Starship ohnehin nicht bekannt sind, können solche Berechnungen immer nur Abschätzungen sein.
Die Rechnung soll vor allem die physikalischen Prinzipen aufzeigen, derentwegen das Starship nach den aktuellen Plänen als überdimensioniert zu bezeichnen ist. Hätte das heutige große Starship eine viel geringere Leermasse, wäre es ganz klar im Vorteil. Aber es hat eine hohe Leermasse und somit wäre die höhere Abtrenngeschwindigkeit eines kleineren Starship ein entscheidender Vorteil.