SpaceX: Die Rakete wird recycelt
Mit dem ersten Start eines Spaceshuttles im Jahr 1980 trat die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) in ein neues Zeitalter ein: Statt wie bei den vorherigen Programmen für jede Mission ein neues Raumfahrzeug zu bauen, konnte sie die Raumgleiter wiederverwenden. Während sich die Nasa davon abgewandt hat, setzen die neuen Raumfahrtunternehmen weiterhin auf wiederverwendbare Raumschiffe.
In den Augen der Nasa hat das Konzept - nicht zuletzt nach zwei schweren Unfällen - aus Sicherheitsgründen ausgedient. Eine Raumfähre, die von einer interplanetarischen Mission zurückkehre, etwa zum Mars, werde mit einer viel höheren Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre eintreten als ein Rückkehrer aus einer niedrigen Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, Leo), argumentiert die Nasa. Auch beim Start und beim Steigflug sei das Orion MPCV sicherer als das Spaceshuttle. Es verfügt über ein Rettungssystem, das Launch Abort System (LAS), das die Mannschaftskapsel im Falle eines Unfalls von der Trägerrakete weg katapultieren soll.
Elon Musk, Chef des US-Raumfahrtunternehmens Space Exploration Technologies(öffnet im neuen Fenster) (SpaceX), hält die Rückkehr zur Einwegkapsel dennoch für ein veraltetes Konzept. Seiner Ansicht nach sind wiederverwendbare Komponenten unerlässlich, um Raumfahrt erschwinglich zu machen.
Schnell wieder startbereit
"Solange wir weiterhin Raketen und Raumschiffe wegwerfen, werden wir nie echten Zugang zum Weltraum haben. Es wird immer unglaublich teuer sein" , sagte Musk Ende Mai bei der Vorstellung der Raumfähre Dragon V2 , die in einigen Jahren die Besatzungen zur Internationalen Raumstation (International Space Station, ISS) und wieder zurück zur Erde transportieren soll. Flugzeuge würden schließlich auch nicht nur einmal benutzt.
Dragon V2 soll nicht nur wiederverwendbar sein. SpaceX will sich damit auch von der Wasserung und dem Abstieg am Fallschirm verabschieden: Die Dragon V2 hat Bremstriebwerke, die einen kontrollierten Abstieg der Raumfähre nach dem Wiedereintritt ermöglichen sollen. Dadurch könne diese nicht nur an jedem beliebigen Ort landen. Sie könne zudem schnell wiederverwendet werden, sagt das Raumfahrtunternehmen: Nach dem Betanken sei sie wieder einsatzbereit.
Das Servicemodul verglüht
Allerdings: Nicht die ganze Raumfähre wird zur Erde zurückkehren. Die Dragon V2 besteht aus zwei Modulen: dem Mannschafts- und dem Servicemodul, Trunk genannt. In letzterem können Güter transportiert werden. Außerdem enthält es die Solarmodule, die die Dragon V2 mit Energie versorgen. Kurz vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird der Trunk abgetrennt und verglüht. Lediglich das Mannschaftsmodul kehrt zurück zur Erde.
SpaceX will aber nicht nur die Kapsel wiederverwenden.
Raketen-Recycling
Ein Teil der Trägerrakete Falcon 9(öffnet im neuen Fenster) soll kontrolliert zur Erde zurückkehren und wiederverwendet werden. Vertical-Takeoff-Vertical-Landing-Rakete (VTVL) nennt SpaceX das Konzept: Die Rakete hat vier Füße aus Aluminium und Stahl, die mit hydraulischen Dämpfern ausgestattet sind, auf denen stehend sie startet. Das hat den Vorteil, dass sie, anders als herkömmliche Raketen, keine Startrampe braucht.
Raketenstufe landet stehend
Die erste Stufe der Falcon 9 wird dann, ebenfalls gebremst von Triebwerken, zur Erde zurückkehren. Die Raketenstufe landet senkrecht stehend auf ihren vier Füßen und kann dann für den nächsten Einsatz vorbereitet werden.
Seit gut zwei Jahren testet SpaceX den Raketenabstieg. Zunächst hat das Unternehmen dafür die experimentelle Rakete Grasshopper eingesetzt, praktisch eine abgespeckte Falcon 9: Die 33,5 Meter hohe Grasshopper besteht aus dem Tank der ersten Stufe sowie einem Raketentriebwerk - im Gegensatz zu den neun Merlin-Triebwerken der Falcon 9.
Experimentelle Rakete Grasshopper
Die beiden ersten Starts im September und November 2012 waren kaum mehr als Hüpfer: Beim ersten Start schaffte die Rakete 1,8 Meter beim zweiten 5,4 Meter. Die Flüge dauerten 3 und 8 Sekunden. Bei Start Nummer vier im März 2013 stieg die Grasshopper immerhin schon 80 Meter hoch auf, einen Monat später sogar 250 Meter .
Bei dem Test im April musste sich die Rakete bereits gegen relativ starken Seitenwind durchsetzen. Im August ließ SpaceX die Rakete auch noch seitwärts fliegen : Während sie bis auf etwa 250 Meter Höhe aufstieg, bewegte sie sich auch noch rund 100 Meter seitwärts. Im Sinkflug kehrte sie wieder zum Ausgangspunkt zurück.
Inzwischen hat die Grasshopper ausgedient: Ihren letzten Start absolvierte die experimentelle Rakete im Oktober 2013 . Seit April 2014 ist die Falcon 9 Reusable im Einsatz.
Test-Falke
Die Falcon 9 Reusable, kurz F9R, ist die erste Stufe der Falcon 9v1.1, der weiterentwickelten Version der Falcon 9(öffnet im neuen Fenster) . Sie hat einen neuen Triebwerkstyp bekommen, Merlin 1D, der mehr Schub erzeugt als der Vorgänger Merlin 1C. Zudem sind die neun Triebwerke anders angeordnet: Statt in drei Reihen à drei Triebwerken bilden acht Merlin-1D-Triebwerke einen Kreis um ein neuntes. Zudem ist die Falcon 9v1.1 insgesamt größer, hat größere Tanks und kann einen größeren Bugkonus mit Nutzlast befördern als die Falcon 9.
Im April flog die F9R zum ersten Mal. Beim jüngsten Test am 17. Juni 2014, bei dem sie rund 1.000 Meter hoch aufstieg, hat SpaceX die Rakete erstmals mit vier schwenkbaren Flügeln ausgestattet. Diese werden bei Abstieg ausgeklappt und dienen dazu, die Rakete genau zum Landepunkt zu manövrieren. Kurz vor dem Aufsetzen werden sie wieder eingeklappt. In der bemannten Raumfahrt sind solche Flügel bisher nicht eingesetzt worden. Allerdings werden Marschflugkörper damit ausgerüstet, um diese genauer ins Ziel zu navigieren. Derzeit fliegt die F9R noch mit starren Füßen. Diese sollen künftig jedoch nach dem Start eingefahren und erst bei der Landung wieder ausgefahren werden.
Probe des Wiedereintritts
Neben den Landetests hat SpaceX auch schon den Wiedereintritt und den kontrollierten Abstieg geprobt: Beim ersten Flug der Falcon 9v1.1 im September 2013 sollte die erste Stufe nicht verglühen, sondern wieder in die Atmosphäre eintreten und dann kontrolliert zur Erde sinken. Die Stufe sollte indes nicht an Land aufsetzen, sondern wassern. Dabei zeigte sich, wie schwierig es ist, gegen die Schwerkraft der Erde arbeiten.
Zunächst lief alles nach Plan: Nach der Abtrennung der zweiten Stufe wurden drei Triebwerke erneut gezündet, um die Rakete sicher wieder in die Atmosphäre eintreten zu lassen. Das funktionierte ebenso wie der Abstieg. Kurz vor dem Wassern wurden die Triebwerke noch einmal gezündet, um die Rakete fast vollständig abgebremst, damit sie sanft in den Pazifik fällt. Allerdings kam es beim Feuern der Triebwerke zu einem Problem mit der Treibstoffzufuhr. Das Triebwerk ging aus, die Rakete schlug auf dem Wasser und zerschellte.
Konzepte für wiederverwendbare Raumfahrzeuge gibt es schon länger - auch schon vor dem Spaceshuttle.
McDonnell Douglas baut den DC-X
In den 1960er-Jahren etwa entwarf das US-Luft- und Raumfahrtunternehmen McDonnell Douglas wiederverwendbare Raketen. Etwa 30 Jahre später, in den frühen 1990er-Jahren nahm McDonnell Douglas das Konzept wieder auf und baute im Auftrag von Nasa und US-Verteidigungsministerium den Delta Clipper Experimental(öffnet im neuen Fenster) (DC-X), eine verkleinerte Version einer einstufigen, wiederverwendbaren Trägerrakete.
Am 18. August 1993 ließ McDonnell Douglas den DC-X erstmals fliegen und zeigte, dass eine Rakete aufsteigen, kontrolliert wieder absteigen und landen kann. Achtmal startete die experimentelle Rakete bis 1995, der längste Flug war knapp über 2 Minuten lang.
Weiterführung durch die Nasa
Danach übernahm die Nasa den Prototyp und modifizierte ihn. Das in Delta Clipper-Experimental Advanced (DC-XA) umbenannte Fluggerät startete noch viermal, wobei es bis in eine Höhe von über 3.100 Meter aufstieg. Beim vierten Flug am 31. Juli 1996 kippte der DC-XA nach der Landung jedoch um, fing Feuer und verbrannte. Danach stellte die Nasa das Programm ein.
Die Geschichte des DC-X endet damit jedoch nicht: Einige der Mitarbeiter aus dem DC-X-Projekt von McDonnell Douglas wechselten zu Blue Origin(öffnet im neuen Fenster) , dem Raumfahrtunternehmen von Amazon-Gründer Jeff Bezos. Dort entwickelten sie das Raumschiff New Shepard(öffnet im neuen Fenster) , das praktisch eine Weiterentwicklung des DC-X war.
… und Blue Origin
Auch New Shepard, das nach dem 1998 gestorbenen Astronauten Alan Shepard benannt ist, stand auf vier Füßen und landete auch wieder darauf. Im Mai 2011 führte Blue Origin einen erfolgreichen Testflug mit New Shepard durch. Beim folgenden Test im August 2011 wurde das Raumfahrzeug zerstört.
Ob es an diesen Unfällen liegt? Die Nasa kann sich jedenfalls nicht für das Konzept wiederverwendbarer Raketen begeistern.
Nasa gegen Raketenrecycling
Zu unsicher, zu teuer, so argumentiert die Nasa. Sie hätten versucht, die Triebwerke der Spaceshuttles so zu konstruieren, dass sie auf 55 Flügen eingesetzt werden könnten, sagte Dan Dumbacher, ein hochrangiger Nasa-Mitarbeiter, der früher am Spaceshuttle mitgearbeitet hat, bei einer Raumfahrtkonferenz im Frühjahr in Paris laut einem Bericht des Fachmagazins Aviationweek(öffnet im neuen Fenster) .
Es habe lange gedauert, viel Geld gekostet, und sie seien am Ende doch nicht mit allem erfolgreich gewesen, sagte Dumbacher: Sie hätten die Feststoffbooster-Raketen der Spaceshuttles aus dem Meer gefischt, sie dann gereinigt und anschließend viel Zeit darauf verwendet, sie zu inspizieren und für den nächsten Einsatz zu überholen. Der Aufwand sei von den Kosten her nicht zu rechtfertigen gewesen.
Zu wenig Routine
Ein Problem sei, dass die Raketentriebwerke zu selten eingesetzt würden, erklärte Dumbacher. Zwar starteten die Raketen relativ häufig - aber viel seltener als Flugzeuge. Da diese so oft flögen, gebe es jede Menge Gelegenheiten, herauszufinden, was nicht funktioniert habe, und es zu reparieren. Diese Routine fehle in der Raumfahrt.
Christophe Bonnal von der französische Raumfahrtagentur Centre national d'études spatiales (CNES) hat einen weiteren Grund, der gegen wiederverwendbare Raumfahrzeuge spricht: Sie benötigten eine Landeeinrichtung wie Füße, auf denen die Rakete aufsetzen könne, und natürlich zusätzlichen Treibstoff für die Bremstriebwerke. Am Ende werde die Rakete größer und schwerer, wodurch sie wiederum 25 bis 30 Prozent mehr Treibstoff brauche, und das alles gehe auf Kosten der Nutzlast - die ist ohnehin schon sehr gering: Sie macht am Gewicht des gesamten Raumfahrzeugs nur einen Anteil im niedrigen einstelligen Prozentbereich aus. Alle Einrichtungen, die für eine Wiederverwendbarkeit benötigt werden, verringern demnach die Nutzlast - und damit auch die Einnahmen für deren Transport.
Machbarkeitsstudie mit Ariane
Das CNES und die russische Raumfahrtagentur Roskosmos hätten vor einigen Jahren eine Studie erstellt, die Feststoffbooster der Trägerrakete Ariane in wiederverwendbare Raketen mit Flüssigtreibstoff umzuwandeln. Anfangs seien die Booster Zylinder mit einem Triebwerk und kleinen Flügeln gewesen. Drei Jahre später seien daraus Gebilde von der Größe eines Airbus mit je vier Triebwerken geworden.
Auch Bonnal hat Sicherheitsbedenken: Damit eine Abstiegsstufe landen könne, müsse auf der Erde eine entsprechende Infrastruktur vorhanden sein. Auf dem europäischen Raketenstartplatz in Kourou im französischen Überseedepartement Französisch-Guayana etwa könne das problematisch werden, sagte Bonnal bei der gleichen Podiumsdiskussion wie Dumbacher.
Die Neueinsteiger in der Raumfahrt lassen sich indes von den Bedenken der Eingesessenen nicht beirren.
Neueinsteiger mit neuen Konzepten
Tatsächlich klingen die Argumente von Nasa und CNES ein wenig nach dem Festhalten an bewährten Konzepten. Raumfahrt ist allerdings inzwischen kein Monopol staatlicher Organisationen mehr. Immer mehr private Akteure tummeln sich in dem Segment - sei es als Anbieter von Suborbitalflügen für Touristen, als Dienstleister, der Satelliten ins All transportiert, als Versorgungsflieger für die ISS im Auftrag der Nasa oder gar als Marsflieger .
Die Neueinsteiger scheinen durchaus gewillt, neue Konzepte zu testen. Bemerkenswert etwa ist, dass außer SpaceX auch Boeing(öffnet im neuen Fenster) und die Sierra Nevada Corporation(öffnet im neuen Fenster) (SNC) auf wiederverwendbare Raumfahrzeuge setzen. Beide Unternehmen konkurrieren mit SpaceX darum, in Zukunft im Auftrag der Nasa Astronauten zur ISS und wieder zurück zur Erde zu transportieren.
Boeing will mit einer Kapsel, dem Crew Space Transportation-100(öffnet im neuen Fenster) (CST-100), die Astronauten zur ISS bringen. SNC hat mit dem Dream Chaser(öffnet im neuen Fenster) einen Raumgleiter gebaut - eine Art Spaceshuttle in klein.