SpaceX: Das Starship müsste nicht der Cybertruck der Raumfahrt sein
Das Starship kann nur als Fehlkonstruktion bezeichnet werden. Während gewisse Defizite bei der erhofften Leistung einer Rakete nichts Ungewöhnliches sind, verdient die völlige Unfähigkeit, eine Nutzlast im Orbit auszusetzen, schon solche drastischen Worte. Genau wie beim Cybertruck ist der Grund für dieses Versagen nicht die hochentwickelte Technik an sich. Vielmehr sind es systematische Fehler im Aufbau und der Entwicklung des Systems, die etablierte Grundsätze der Raumfahrt und der Entwicklung von Technik allgemein außer Acht ließen.
Der grundlegende Fehler des Starship ist die Idee, dass die Oberstufe als kompliziertester und teuerster Teil der Technik von Anfang an so groß wie möglich sein sollte. Sie soll einen möglichst großen Anteil der Geschwindigkeit erbringen und alle nötigen Bauteile für eine sofortige Wiederverwendung integrieren. Dabei sollte schon intuitiv klar sein, dass wegen des schweren Hitzeschutzschildes in den meisten Fällen wohl eine möglichst kleine Oberstufe vorzuziehen ist. Aber schon das Spaceshuttle scheiterte an dem gleichen Denkfehler.
Die Falcon 9 von SpaceX zeigte, was immer klar war: Die erste Stufe bietet als größte Stufe das größte Einsparpotenzial bei den Kosten. Sie ist wegen der niedrigeren Geschwindigkeiten viel geringeren Belastungen ausgesetzt, was weniger Aufwand an Treibstoff und in der Konstruktion für eine intakte Rückkehr bedeutet. Zudem wirkt sich jedes zusätzliche Leergewicht in der zweiten Stufe selbst bei Flügen in niedrige Orbits etwa fünfmal so stark auf die Leistung der Gesamtrakete aus als Zusatzgewicht in der ersten Stufe. Genau deshalb gibt es mehrstufige Raketen.
SpaceX fehlte ein kleinerer Prototyp
Tatsächlich berichtete Golem im November 2018 von SpaceX' Ankündigung, ein Mini-Starship als modifizierte Oberstufe für die Falcon 9 mit "ultraleichten Hitzeschutzkacheln" zu entwickeln. Das war eine sehr gute Idee und hätte SpaceX schon vor dem Bau von elf Starships gezeigt, wie Hitzeschutzkacheln fest montiert werden können, dass ein Füllmaterial zwischen den Kacheln nötig ist, um das Eindringen von Plasma zu verhindern, und dass die leichten Metallkacheln nicht funktionieren – was laut SpaceX die wichtigsten Erkenntnisse von Flug 10 waren(öffnet im neuen Fenster) .
Der Vergleich mit der Falcon 9 zeigt auch, dass die integrierte Nutzlastverkleidung des Starship ein schwerwiegendes Problem ist. Die Oberstufe der Falcon 9 besteht aus zwei Teilen: der rund 4 Tonnen schweren Raketenstufe mit Antrieb, Tanks und Nutzlastadapter sowie der etwa 2 Tonnen schweren Nutzlastverkleidung aus Kohlefaser. Diese wird sofort nach der Stufentrennung abgeworfen und später zur Wiederverwendung aus dem Meer geborgen. Durch diese Bauweise erhöht sich die Nutzlast um 2 Tonnen.
Das Starship hat noch keine große Klappe
Im Starship ist die Nutzlastverkleidung fest integriert und besteht aus Stahl und Hitzeschutzkacheln. Dadurch bleibt weniger Masse für die Nutzlast übrig. Rocketlab integriert die Nutzlastverkleidung bei der noch unerprobten Neutron-Rakete deshalb im Booster, wo ihr Gewicht nur einen Bruchteil des Einflusses auf die Nutzlast hat. Am Starship selbst müsste dann nur noch der Nutzlastadapter beim Wiedereintritt geschützt werden, was auch die Verwendung einer dritten Raketenstufe leichter möglich macht. Stattdessen wird die gesamte Verkleidung in den Orbit und zurück gebracht.
Die Nutzlastverkleidung wird in Zukunft für noch mehr Probleme beim Starship sorgen. Denn zur Zeit wird nur ein dünner Schlitz zur Freisetzung von Starlink-Satelliten geöffnet und keine große Klappe für Nutzlasten beliebiger Form und Größe. Nicht nur der Öffnungsmechanismus, auch die zusätzlichen Verstrebungen im Rumpf und den Nutzlastklappen – um die schweren Tanks an der Spitze des Starships auszuhalten – werden das Gewicht um viele weitere Tonnen erhöhen.
Das größte Problem des Starship ist aber seine Größe, insbesondere im Verhältnis zur relativ kleinen Super Heavy.
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.
Die magische 42 wird das Starship nicht retten
Die Entwicklung bei SpaceX geht allerdings in die entgegengesetzte Richtung dessen, was die Raketengleichung nahelegen würde. Das große Starship mit neun Triebwerken soll eines Tages 2.300 Tonnen Treibstoff haben, mit nur 4.050 Tonnen Treibstoff im Booster. Die Abtrenngeschwindigkeit wird wegen des noch schlechteren Massenverhältnisses dann noch weiter sinken und dadurch noch größere Ansprüche an möglichst leichte Strukturen im Starship stellen, bevor es überhaupt eine Nutzlast tragen kann.
Ein Grund dahinter ist Zahlenmagie. Elon Musk will unbedingt insgesamt 42 Triebwerke im Starship und dem Booster verbauen. Der andere Grund ist das fundamentale Missverständnis, dass ein noch größeres Starship auch mehr Nutzlast tragen wird. Hätte das 2016 als Interplanetary Transport System angekündigte, noch größere Starship mit 42 Triebwerken im Booster die behauptete Leermasse von 85 Tonnen gehabt (damals noch mit Kohlefaser und aktiver Kühlung), wäre diese Annahme auch korrekt. Die Realität ist jedoch eine vollkommen andere.
Heute findet die gesamte weitere Entwicklung des Starship unter der Prämisse statt, dass die hohe Leermasse noch irgendwie in großem Umfang gesenkt werden kann. Es wird nicht unter der Anerkennung der Realität fortgefahren, dass die Leermasse derzeit schlicht zu hoch (oder möglicherweise die Effizienz der Triebwerke zu schlecht) für die angestrebte Konstruktion und Missionsplanung ist. Aber nach Flug 10 wird das Starship durch das Füllmaterial zwischen den Kacheln sogar noch schwerer sein und die leichteren Metallkacheln funktionierten nicht.
Seriöse Technologieentwicklung braucht einfache Prototypen
Eine seriöse Technologieentwicklung hätte durch Vortests mit kleineren Prototypen die erreichbaren technologischen Parameter unter realen Bedingungen ermittelt. Dann wäre die weitere Konstruktion und Missionsplanung des Starship an realistischen Werten für Leermasse und Effizienz der Triebwerke ausgerichtet worden. Nach solchen Vortests kann der Raum der erreichbaren Parameter immer noch erweitert werden, wenn mehr Erfahrung aus der Entwicklung und dem Betrieb des Systems vorliegt. Auf diese Weise wurde die Nutzlast der Falcon 9 von 2010 bis 2017 mehr als verdoppelt.
Wenn durch verbesserte Triebwerke und Stufentrennung eine höhere Abtrenngeschwindigkeit möglich wird und Leergewicht durch eine vereinfachte Innenstruktur oder vielleicht aktiv gekühlte Hitzeschutzkacheln eingespart wird, kann das Starship später immer noch vergrößert werden und der Booster öfter am Landeturm landen. Eine solche stufenweise Entwicklung war das Erfolgsrezept von SpaceX von der Firmengründung bis zum Crew Dragon und von Tesla bis zum Model Y.
Einfache Oberstufen hätten ebenso als Prototyp getaugt
Das Starship hätte auch ohne vorherige kleine Prototypen entwickelt werden können, wenn der Super Heavy Booster zunächst ohne wiederverwendbares Starship geflogen wäre. Dieser Bosster wäre dann zusammen mit einfachen Oberstufen seinem Namen gerecht geworden und hätte längst Nutzlasten bis zu 200 Tonnen gestartet. Die Produktion der Oberstufen kann dabei kein Hindernis sein. Elon Musk hatte ohnehin den Bau von einem Starship pro Tag angekündigt.
Die Serienproduktion einfacher Oberstufen mit zwei bis drei Triebwerken wäre ein guter Vortest für das Starship gewesen. Mit einigen Modifikationen hätten sie auch als Prototypen des Starship fungieren können, mit denen nach Aussetzen der Nutzlast Experimente beim Wiedereintritt hätten durchgeführt werden können.
Dann hätte – wie bei der Falcon 9 – auch das Argument der SpaceX-Fans wieder stimmen können, dass es sich beim Wiedereintritt einiger mit Hitzeschutzschild ausgestatteten Oberstufen nur um Experimente handelt, bei denen auch wiederholten Fehlschlägen keine zu große Bedeutung beizumessen ist. Aber anders als die Falcon 9 werden Starships und Super Heavy ausschließlich für Tests gebaut und gestartet, weshalb das Argument für das heutige Starship falsch ist.
Das Starship wiederholt die Fehler des Spaceshuttles
Egal ob sich SpaceX für einfache Oberstufen oder ein kleineres Starship entschieden hätte: Beide würden längst mit viel größeren Nutzlasten als die Falcon 9 in den Orbit fliegen. Das hätte auch dem insgesamt konservativen Firmenprofil von SpaceX entsprochen, das sich bis etwa 2018 an der schrittweisen Entwicklung während der Pionierzeit der US-Raumfahrt in den 1950er und 1960er Jahren orientierte.
Doch dann entschied sich die Nasa in den 1970ern dafür, ein überambitioniertes Projekt zur Entwicklung eines 100 Tonnen schweren wiederverwendbaren Raumschiffs zu starten. Das Spaceshuttle sollte alle Raketen ersetzen und wurde ohne den vorherigen Bau kleinerer Prototypen zum Sammeln von Erfahrung entwickelt. Die Entwicklung verzögerte sich, die Nutzlast war kleiner als erhofft, die geplante Startfrequenz konnte nicht erreicht werden und die Sicherheit war inakzeptabel.
Aber die Entwicklung und der Bau der meisten anderen Raketen wurde schon zuvor beendet. So wurde das Spaceshuttle, das vor allem von fachfremden Politikern vorangetrieben wurde, zur teuren Fehlentwicklung und einem großen Rückschritt der Raumfahrt der USA. Ähnliches steht nun SpaceX bevor. Denn das Unternehmen wird heute von Elon Musk ohne Verständnis für technologische Systeme und tatsächliche Marktnachfrage geleitet.
Science-Fiction ist kein Ersatz für die Realität
Das Ergebnis einer solchen Firmenpolitik hat der Cybertruck bereits demonstriert. Er wäre als gewöhnlicher Elektrotruck im Design der restlichen Teslas ein schneller und großer Erfolg gewesen – entsprechende Entwürfe existierten – und Tesla hätte dafür wie Rivian nur ein größeres Akkupack und etwas leistungsfähigere Elektrik benötigt.
Es gibt derzeit wenig Anlass, beim Starship ein anderes Ergebnis als beim Cybertruck zu erwarten, wenn bei den Raptor-Triebwerken keine unerwartet drastische Leistungsreduktion vorgenommen wurde (die Daten, um das nachzuvollziehen, fehlen in der Telemetrie), die anschließend mit den Raptor-3-Triebwerken vollends ausgeglichen wird. Selbst in der aktuellen Eigendarstellung spricht SpaceX nur noch von 35 Tonnen Nutzlast des aktuellen Starship statt der einst versprochenen 100 bis 150 Tonnen.
Aber für Musk sind Zahlenmagie zur Bestimmung der Zahl von Triebwerken und Parallelen zur Popkultur und Science-Fiction eines längst vergangenen Jahrhunderts wichtiger (vor allem Isaac Asimovs Foundation-Serie und Per Anhalter durch die Galaxis von Douglas Adams) als allgemein anerkannte physikalische und marktwirtschaftliche Prinzipien.