SpaceX: Eine Rakete aus Stahl
Ganz im Süden von Texas hat SpaceX ein Grundstück gekauft, um von dort aus Raketen starten zu können, unabhängig von den restlichen Flugplänen wie in Cape Canaveral in Florida. Am 22. Dezember zeigten Fotos von dort Teile des ersten Prototyps(öffnet im neuen Fenster) für das Raumschiff Starship und dessen Trägerrakete Super Heavy, die früher als BFS und BFR bekannt waren. Angesprochen auf die Bilder verriet Elon Musk ein paar technische Details. Schon zuvor hatte er angekündigt, dass sich die Konstruktion "auf kontraintuitive Weise" geändert habe.
Demnach sollen die Rakete und das Raumschiff mit Stahltanks anstelle von Aluminium oder Kohlefasermaterial konstruiert werden. Die Raumfahrt ist zwar für die Nutzung von möglichst leichten Materialien bekannt, dennoch ist diese Lösung nicht so abwegig, wie sie zunächst erscheint. Die Tanks der Centaur-Oberstufe(öffnet im neuen Fenster) einiger US-Trägerraketen wie der Atlas V und Delta IV werden beispielsweise noch heute aus Stahl gebaut. Dabei sind sie deutlich leichter als etwa die vergleichbar großen Oberstufen der Ariane 5 oder der indischen GSLV Mk III(öffnet im neuen Fenster) aus Aluminum.
Die Rakete funktioniert wie eine Coladose
Die Technik dahinter sind sogenannte Ballontanks. Durch die hohe Zugfestigkeit einiger Stahllegierungen können daraus dünnwandige Treibstofftanks gebaut werden, die hauptsächlich durch den hohen Innendruck stabilisiert werden. Aus dem gleichen Grund ist eine Coladose viel stabiler, wenn sie durch ein kohlensäurehaltiges Getränk unter hohem Druck steht. Ohne den Druck von innen lässt sich die Dose dagegen leicht deformieren.
Die bemerkenswerteste Rakete mit Ballontanks aus Stahl war wohl die ursprüngliche Generation der Atlas-Raketen. Die Tanks waren so leicht gebaut, dass sie permanent unter Druck gehalten werden mussten, um nicht unter dem eigenen Gewicht einzuknicken. Mindestens eine Atlas-Rakete wurde auf diese Weise bei einem Unfall zerstört.
Laut Aussage von Elon Musk verwendet die Konstruktion der Super Heavy und des Starship eine andere Stahllegierung als die alte Atlas. Sie wird auch steifer gebaut sein, um diese Art von Unfall zu vermeiden. Die Fotos zeigen den unteren Teil des Starship-Prototypen. Der Prototyp wird deutlich kürzer als das endgültige Raumschiff sein, mit kleinerem Tankvolumen. Er hat aber bereits den endgültigen Durchmesser von neun Metern.
Im Januar soll auch die neueste Version der Raptor-Triebwerke für die Rakete und das Raumschiff getestet werden. Zum Bau des Triebwerks wurde eine neue Legierung entwickelt, die heiße sauerstoffhaltige Gase aushalten muss, die beim Betrieb der Treibstoffpumpen entstehen. Diese SX500 genannte Legierung hat SpaceX selbst entwickelt und inzwischen eine eigene Gießerei in Betrieb genommen, die genug von dem Metall zum Bau der Raptor-Triebwerke liefern soll.
Die Treibstoffpumpen haben 75 Megawatt
Diese Pumpen müssen pro Triebwerk eine Leistung von 75 Megawatt erbringen und dabei möglichst keinen Treibstoff verschwenden. Die Treibstoffpumpen des Raptor-Triebwerks werden von zwei Turbinen mit heißem Gas angetrieben, das durch die Verbrennung von Methan und Sauerstoff entsteht. Allerdings können beide nicht im idealen Verhältnis zueinander stehen. Sonst würden dabei Temperaturen wie bei einem Schweißbrenner entstehen und die Turbinen schmelzen. Die Brennkammer hält solche Temperaturen nur aus, weil alle Komponenten konstant gekühlt werden. Die Turbinen sind dafür zu filigran.
Um die Temperaturen niedriger zu halten, wird stattdessen zum Betrieb der Methanpumpe nur eine kleine Menge Sauerstoff in das Methan eingespritzt und darin verbrannt. Bei der Sauerstoffpumpe ist es umgekehrt, in den Sauerstoff kommt etwas Methan. Das entstehende Gas ist heiß und besteht neben etwas Wasser und Kohlendioxid hauptsächlich aus Sauerstoff.
Das heiße Gas hat den Nachteil, dass es die meisten Metalle stark korrodieren würde, weshalb die neue Legierung entwickelt wurde. Aber es hat den Vorteil, dass es jederzeit mit dem Sauerstoff aus dem Treibstofftank in Berührung kommen kann, ohne dass Brandgefahr besteht. Auf diese Weise werden viel kleinere Ansprüche an die Dichtungen zwischen der Turbine und der Pumpe gestellt. Das Verfahren ermöglicht es etwas gefahrloser, die hohen Drücke in der Brennkammer zu erreichen.
Die volle Leistung wird noch nicht erreicht
Die Brennkammer des Raptor-Triebwerks soll in der endgültigen Form mit 300 bar betrieben werden, mehr als dem dreifachen Druck des Merlin-Triebwerks der Falcon-Raketen. Um keinen Treibstoff zu verschwenden, muss das aufgeheizte Gas, mit dem beide Pumpen betrieben werden, ebenfalls in die Brennkammer gepumpt werden. Die Turbinen laufen aber nur, wenn das Gas vor der Turbine unter größerem Druck steht als dahinter. Gleichzeitig muss das Gas hinter der Turbine noch mehr als 300 bar Druck haben, um in die Brennkammer zu gelangen.
Im Betrieb erreicht der Treibstoff deshalb nach der ersten Verbrennung, aber vor der Turbine, einen Druck von rund 800 bar. Damit die Drücke nicht noch höher werden müssen, wird der gesamte Treibstoff zum Betrieb der Turbinen benutzt. Dieses sogenannte Full-Flow-Verfahren wird im Raptor-Triebwerk zum ersten Mal überhaupt verwendet. Normalerweise wird zum Betrieb der Turbinen nur ein kleiner Teil des Treibstoffs abgezweigt und dann entweder in den Auspuff oder die Brennkammer geleitet.
Den gesamten Treibstoff zu verwenden, hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Treibstoffkomponenten bereits als heißes Gas in die Brennkammer gelangen. Wenn sie als Flüssigkeit eingespritzt werden, müssen sie erst noch verdampfen. Als Gase können sie sich schneller vermischen und effizienter verbrannt werden. Das gesamte Verfahren ist dennoch so kompliziert, dass das Triebwerk wohl erst in einigen Jahren mit dem vollen Brennkammerdruck betrieben werden wird.
Eine vollständige Präsentation der Technik des Raumschiffs ist erst nach dem ersten Testflug geplant. Der soll im März oder April stattfinden. Elon Musk kündigte außerdem an, dass die zweite Generation des Starlink-Satellitensystems mithilfe der neuen Rakete aufgebaut werden soll, während die Satelliten der ersten Generation ab nächstem Jahr mit der Falcon 9 gestartet werden.