SpaceX: Warum Elon Musks Marsplan keine Science-Fiction ist
Auf dem 67. Internationalen Astronautischen Kongress hat Elon Musk seine lang erwarteten Pläne zum Bau von interplanetaren Raumschiffen für die Besiedelung des Mars vorgestellt. Tatsächlich stellte SpaceX die Präsentation des Raumschiffs und der Rakete schon einige Minuten vor dem Vortrag auf Youtube zur Verfügung. Das Konzept erinnert an die frühen Entwürfe der Spaceshuttles und besteht aus zwei wiederverwendbaren Teilen, einer Raketenstufe und dem Raumschiff selbst.
Eine erste Stufe der Rakete soll mit 42 methanbetriebenen Triebwerken starten. Sie ist mit einem Durchmesser von 12 Metern und einer Höhe von 77,5 Metern "ziemlich groß" , wie Elon Musk sagte. Wie eine Falcon 9 wird sie mit Hilfe ihrer Raketentriebwerke zur Startrampe zurückkehren und auf drei Beinen landen. Sie soll dabei direkt auf der Startrampe landen, um schnellstmöglich wiederbetankt und mit einem neuen Raumschiff beladen werden zu können.
Die 2.500 Tonnen schweren Raumschiffe haben große Treibstofftanks, um nach der Abtrennung von der Raketenstufe mit ihren neun Triebwerken den Orbit zu erreichen. Die Tanks sind auch groß genug, um vom Erdorbit aus den Mars zu erreichen oder vom Mars aus zur Erde zurückzukehren. Aber dazu muss das Raumschiff zunächst neu betankt werden. Im Erdorbit soll es sich dazu mit speziellen Tankraumschiffen treffen, die mit der gleichen Rakete gestartet werden. Auf dem Mars soll der Treibstoff, Methan und Sauerstoff, vor Ort hergestellt werden. Ohne die Tankraumschiffe müsste die Rakete noch fünf- bis zehnmal größer sein.
Ein leeres Tankraumschiff soll mit einer Masse von 90 Tonnen etwa so schwer sein, wie ein Space Shuttle(öffnet im neuen Fenster) . Die Raumschiffe selbst sollen leer etwa 150 Tonnen wiegen, etwas mehr als die Hälfte eines Airbus A380(öffnet im neuen Fenster) . Dabei verbleibt eine Nutzlast von 450 Tonnen und genug Platz für 100 Passagiere. Elon Musk hofft, den ersten Prototypen eines solchen Raumschiffs in den nächsten Jahren entwickeln zu können. Aber die technischen Details, die hier noch genauer beschrieben werden, gerieten in der Präsentation(öffnet im neuen Fenster) fast in den Hintergrund.
Die Vision von der Zivilisation auf dem Mars
Elon Musks Vortrag trug den Titel "Den Mensch zu einer Multiplanetaren Spezies machen" ("Making Humans a Multiplanetary Species") und beschreibt unverkennbar eine Vision. Mit dem Raumschiff soll keine einmalige Reise zum Mars unternommen werden. Es sollen ganze Flotten gebaut werden, die gemeinsam zum Mars starten, wenn ihn seine Umlaufbahn etwa alle zwei Jahre in Erdnähe bringt. Das Ziel ist die Besiedelung des Mars mit einer eigenständigen, selbsterhaltenden Zivilisation von etwa einer Million Menschen. Es ist auch keine neue Vision, sondern Elon Musks bekanntes Argument, dass die Menschheit eine zweite Heimat im Sonnensystem haben sollte.
Der gesamte erste Teil des Vortrags beschreibt diese Vision. Dabei hält sich Elon Musk, anders als manche Science-Fiction-Autoren, zumindest an die Grenzen der technischen Machbarkeit. Wie er selbst betont, fehlen zur technischen Umsetzung vor allem zwei Dinge. Die nötige Ingenieurarbeit, um aus der vorhandenen Technologie eine funktionierende Rakete und ein funktionierendes Raumschiff zu entwickeln, sowie das Geld, um diese Arbeit zu bezahlen.
Flotten mit 1.000 Raumschiffen
Das Ziel dieser Arbeiten soll es sein, eine Reise zum Mars als tatsächliche Möglichkeit erscheinen zu lassen. Dazu gehört auch, dass langfristig möglichst niedrige Kosten pro Passagier erreicht werden. Dazu sollen die Raketenstufen etwa 1.000-mal wiederverwendet werden, die Tanker etwa 100-mal und die Raumschiffe selbst 12-mal. Langfristig rechnet Musk mit Konstruktionskosten von 230 Millionen US-Dollar für die Trägerrakete, 130 Millionen US-Dollar pro Tanker und 200 Millionen US-Dollar pro Raumschiff. Die Entwicklungskosten und die Kosten für die ersten Exemplare wären aber wahrscheinlich "sehr hoch" .
In der Vision der Besiedelung des Mars bricht am Ende alle zwei Jahre eine Flotte von etwa 1.000 solcher Raumschiffe zum Mars auf. Sie sähe dann aus "wie die Flotte in Kampfstern Galactica" . Zunächst wären die Flotten aber kleiner und die Kosten ohne die notwendige Serienfertigung auch deutlich höher. Insgesamt lägen die Kosten in der Größenordnung der Ausgaben für die heutige Luftfahrt. Airbus hat beispielsweise allein Bestellungen für etwa 12.800 Exemplare des Airbus A320 ausstehen(öffnet im neuen Fenster) , mit einem Listenpreis von etwa 100 Millionen US Dollar haben diese einen Gesamtwert von über 1.000 Milliarden US-Dollar oder dem Nasa Budget von etwa 50 Jahren.
Den Zeitrahmen legte Musk mit Absicht nicht genau fest. Er sprach von 40 bis 100 Jahren und hofft zur Finanzierung auf eine Public Private Partnership. Musk kann sich aber auch andere Finanzierungsmöglichkeiten vorstellen. Nach seinen Aussagen kann SpaceX derzeit weniger als 5 Prozent seiner Mittel in die Entwicklung der Marspläne investieren. Mit diesen 5 Prozent hat SpaceX aber bereits jetzt einige beeindruckende Leistungen vollbracht.
Neue Treibstofftanks und Triebwerke werden schon getestet
Eines der größten technischen Probleme beim Bau des Raumschiffs sind die Treibstofftanks. Sie sollen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen bestehen. Bisher gab es bei der Konstruktion von Tanks aus diesem Material das Problem, dass es bei niedrigen Temperaturen nicht dichthielt. Probleme mit Tanks aus Kohlefaser waren 1999 einer der Hauptgründe für die Einstellung der Entwicklung der X-33 Venture Star(öffnet im neuen Fenster) . Inzwischen ist die Technik aber soweit fortgeschritten, dass SpaceX einen ersten Prototypen für den Tank in der vollen Größe bauen und testen konnte. Bei den Tests hielt der Tank dicht. Allerdings ist die Technik neu. Später auftretende Probleme sind nicht auszuschließen.
Auch das methanbetriebene Raptor-Triebwerk(öffnet im neuen Fenster) für die Trägerrakete befindet sich schon seit längerem in der Entwicklung. Es hat die gleiche Größe wie das Merlin-Triebwerk, wird aber den dreifachen Schub bei etwa 20 Prozent besserer Treibstoffeffizienz liefern. Es wurde nur zwei Tage vor dem Vortrag erstmals ein Prototyp des Triebwerks getestet.
Um den hohen Schub bei der gleichen Größe zu erreichen, muss auch der Brennkammerdruck auf 300 Bar verdreifacht werden. Das ist eine enorme Herausforderung für das gesamte System des Triebwerks. Bei vollem Schub verbrennt das Raptortriebwerk pro Sekunde fast eine Tonne Sauerstoff und Methan. Dieser Treibstoff muss gegen den Druck in der Brennkammer durch die Einspritzdüse befördert werden. Um die notwendige Pumpleistung zu erreichen, kann das Raptortriebwerk nicht mehr mit der Gasgeneratortechnik funktionieren, mit der das Merlin-Triebwerk der Falcon 9 oder das F-1-Triebwerk(öffnet im neuen Fenster) der Mondrakete Saturn V gebaut wurden.
Dort wurden große Mengen des Treibstoffs mit etwas Sauerstoff verbrannt, um ein Gas zu erzeugen, das die Turbine antreibt. Dieses Gas darf nicht zu heiß sein, um die Turbine nicht zu beschädigen. Deshalb wird ein Überschuss von Treibstoff verwendet und mit zu wenig Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung verbrannt. Dieses Verfahren ist sehr ineffizient. Dadurch wird die Effizienz und die Leistung eines Triebwerks begrenzt. Denn um so höher die notwendige Leistung der Pumpen für die Überwindung des Drucks in der Brennkammer ist, um größer ist der Anteil des unverbrannten Treibstoffs.
Mehr Druck ist effizienter
Ein höherer Brennkammerdruck erhöht dabei nicht nur den Schub eines Triebwerks der gleichen Größe. Er erhöht auch die Verbrennungstemperatur und damit die Geschwindigkeit, mit der die Gase aus der Brennkammer nach außen strömen. Um davon profitieren zu können, darf das Triebwerk den unverbrannten Treibstoff nicht nach außen leiten, sondern muss ihn mit zur Verbrennung in die Brennkammer leiten. Das Raptor-Triebwerk tut sogar noch mehr als das. Es hat zwei Gasgeneratoren, die zwei Turbinen und zwei Pumpen antreiben.
Dabei wird eine kleine Menge Methan in den Sauerstoffstrom eingespritzt und verbrannt, um den Sauerstoff zu verdampfen und mit dem Gas die Turbine anzutreiben, die den Sauerstoff in das Triebwerk pumpt. Auf der Methanseite wird umgekehrt eine kleine Menge Sauerstoff zugeführt und das Gemisch entzündet, um die Turbine für die Methanpumpe anzutreiben. Das Verfahren ist komplex, hat aber zwei Vorteile. Zum einen wird kein Treibstoff unverbrannt ausgestoßen. Zum anderen werden weder Sauerstoff noch Methan als Flüssigkeit in die Brennkammer gepumpt, sondern als Gas. Auch das erhöht noch einmal die mögliche Verbrennungstemperatur in der Brennkammer und damit die Effizienz.
Das fertige Triebwerk wird einen spezifischen Impuls, ein Maß für die Treibstoffeffizienz, von 334 Sekunden am Boden und 361 Sekunden im Vakuum haben – bei einem Schub von 3.050 Kilonewton am Boden. Eine Variante mit einer größeren Düse soll im Vakuum auch 382 Sekunden erreichen. Das sind Rekordwerte für ein Triebwerk, das nicht mit Wasserstoff betrieben wird. Diese Triebwerke erreichen bis zu 465 Sekunden im Vakuum.
Methan ist besser als Wasserstoff und Kerosin
SpaceX hat sich bewusst gegen Wasserstoff als Treibstoff entschieden. Flüssiger Wasserstoff ist mit höchstens -253 Grad wesentlich kälter als flüssiges Methan mit -161 bis -183 Grad Celsius und hat eine sehr geringe Dichte von nur 70 Gramm pro Liter. Die Tanks müssten größer sein, mehr wiegen, besser isoliert werden und noch niedrigeren Temperaturen standhalten. Noch dazu ist Wasserstoff viel teurer als Methan. Auch das Ziel des Raumschiffs, der Mars, spielte eine Rolle.
Den Treibstoff für den Rückflug zur Erde soll das Raumschiff vom Mars selbst bekommen. Der Treibstoff muss dort also gelagert und erzeugt werden. Die Lagerung von flüssigem Wasserstoff ist dabei deutlich schwerer als die Lagerung von Methan. Außerdem besteht die Marsatmosphäre zum größten Teil aus Kohlendioxid, das sich durch den Sabatier-Prozess mit Wasserstoff zu Methan verarbeiten lässt. Aus einer Tonne Wasserstoff, der aus Wasser vom Mars erzeugt werden muss, entstehen dabei vier Tonnen Methan.
Zwischen Traum und Realität
SpaceX hat über die Prototypen des Tanks und der Triebwerke des Raumschiffs nur Pläne und noch keine weitere Hardware vorzuweisen – abgesehen von dem, was die Firma in ihrer 14-jährigen Geschichte bisher getan hat. Während die Rückschläge und die Verzögerungen zu Recht zu großer Prominenz gelangt sind, gehört dazu auch der Erfolg der Firma. Selbst die heute hochgelobte Ariane-5(öffnet im neuen Fenster) -Rakete explodierte bei ihren ersten 14 Flügen zweimal, zwei weitere Flüge blieben weit unter der geforderten Leistung. Fehler und Lernprozesse sind unvermeidlich.
Das zeigt auch die Entwicklung der neuen Trägerrakete. Sie wird auf die Heliumdruckflaschen in den Tanks komplett verzichten, die für die beiden Verluste von Falcon-9-Raketen verantwortlich waren. Stattdessen soll mit einem Wärmetauscher an den Triebwerken heißes Gas in die Tanks geleitet werden, um sie unter Druck zu setzen. Mit den Entwicklungsarbeiten an dem Raumschiff und der neuen Trägerrakete will SpaceX zeigen, dass ein Flug zum Mars möglich ist. Dazu wird viel mehr notwendig sein, als zwei Prototypen von Teilen eines noch nicht existierenden Raumschiffs.
Die Erfahrung mit den letzten 14 Jahren von SpaceX zeigt vor allem drei Dinge: übertrieben optimistische Zeitpläne von SpaceX, übertrieben pessimistische Kommentare von Kritikern und die Erfüllung von übertrieben geglaubten Versprechen, meistens mit einiger Verspätung.
Was technisch machbar ist, muss erst getan werden
Es ist keine Frage, ob der Bau von Trägerraketen und Raumschiffen, wie sie Elon Musk angekündigt hat, rein technisch möglich ist. Wie 1962, als John F. Kennedy einen Flug zum Mond versprach, basiert jeder Teil des Plans auf real vorhandener und umsetzbarer Technik. 42 Raptor-Triebwerke mit den angegebenen technischen Daten können die 10.500 Tonnen schwere Rakete abheben lassen und dabei wenig genug Treibstoff verbrauchen, dass das 2.500 Tonnen schwere Raumschiff darauf in den Orbit fliegen kann. Raumschiffe können aneinander andocken und Treibstoff transferieren, die Progress-Transporter tun das auf der ISS regelmäßig.
Der Treibstoffanteil des Raumschiffs wäre groß genug, um den Mars in drei bis fünf Monaten zu erreichen. Er wäre groß genug, um vom Mars zur Erde zurückzufliegen. Der Treibstoff könnte auf dem Mars erzeugt werden, die nötigen Prozesse sind seit über 100 Jahren bekannt, und genug Wasser ist vorhanden. Die Materialien für die Raumschiffe sind vorhanden. Alles das sind Fragen der Physik, und sie sind geklärt.
Was fehlt, sind Antworten auf die konkreten Fragen der Konstruktion. Oft stellen sich diese Fragen erst, wenn die Konstruktion tatsächlich begonnen wird. Genau das ist es, was SpaceX jetzt tun muss, um von der Machbarkeit zu überzeugen. In den optimistischsten Plänen will SpaceX den ersten Prototypen eines Raumschiffs, noch ohne die Raketenstufe, in den nächsten vier Jahren bauen und erste Testflüge unternehmen. Dragon-Raumschiffe sollen alle zwei Jahre auf dem Mars landen. Das könnte genau das sein, was nötig ist, um die Menschen von der Lösbarkeit der übrigen Probleme zu überzeugen. Aber zuvor muss SpaceX genau das auch tun. Das wird wahrscheinlich ein paar Jahre länger dauern, als SpaceX in den optimistischten Plänen hofft. Elon Musk sagte jedenfalls: "Wir haben eine gute Chance zu scheitern" .