Wie der Traum vom Starship platzte

Wer etwas Erfahrung mit der Raketengleichung gesammelt hat, sieht das größte Problem schon mit einem kurzen Blick auf das Starship: Das riesige Starship ist dort, wo sich sonst eine kleine Raketenstufe befindet. In der ersten Stufe, der Super Heavy, befindet sich mit 3.650 Tonnen Treibstoff nur etwas mehr als doppelt so viel wie im Starship selbst mit 1.600 Tonnen. Bei der Falcon 9 hat die erste Stufe hingegen 385 Tonnen im Vergleich zu nur 107 Tonnen in der zweiten Stufe – fast das Vierfache.

Der Chefingenieur von SpaceX findet das Starship jedoch zu klein. Es soll in der vierten Generation 2.300 Tonnen Treibstoff tragen, mit nur 4.050 Tonnen in der ersten Raketenstufe. Das wird die Probleme des Starships noch verschärfen.

Grundsätzlich hat die Raketengleichung dank immer leichterer Triebwerke und Materialien immer kleinere Auswirkungen auf die Nutzlast – aber wiederverwendbare Raketenstufen sind besonders schwer, durch die notwendigen Treibstoffreserven für die Landung und vor allem durch den Hitzeschutzschild für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre.

Rückblickend platzte der Traum vom heutigen Starship schon kurz nach dessen erster Präsentation im Jahr 2016, als erste Testläufe verkleinerter Raptor-Triebwerke gezeigt wurden und auch ein Prototyp der geplanten Treibstofftanks aus Kohlefaser. Solche Prototypen werden gebaut, um in praktischen Tests herauszufinden, ob die bekannten Schwachstellen einer Technologie überwunden werden können. Mit dem Bau großer Kohlefasertanks hatte die Nasa schon beim Bau der X-33 Venture Star unüberwindbare Probleme.

Reihenweise geplatzte Treibstofftanks

Auch die Kohlefasertanks von SpaceX platzten bei den Belastungstests vorzeitig. Details wurden nie bekannt, aber SpaceX hat alles richtig gemacht: Der Prototyp hat versagt, also musste die Konstruktion verändert werden. Statt Kohlefaser wurde Stahl benutzt und es wurden neue Prototypen gebaut. Stahltanks wurden in den USA schon 1957 erfolgreich in der Raumfahrt mit den Atlas-Raketen benutzt, die sich sogar durch besonders leichte Tanks auszeichneten – allerdings waren es Ballontanks.

Die Tanks der Atlas waren so leicht, dass die Rakete nach dem Start lediglich zwei von drei Triebwerken abwarf und das kleinere dritte Triebwerk mit dem Tank der ersten Stufe weiterflog. Damit gelangte John Glenn als erster US-Amerikaner in den Orbit – ohne weitere Stufentrennung. SpaceX versuchte nun, ebenso leichte Prototypen von Stahltanks zu bauen, die aber nicht wie Luftballons oder Atlas-Raketen ständig unter Druck stehen müssen.

Aber auch diese Prototypen platzten 2019 reihenweise. Erst der fünfte Stahltank überstand die Drucktests. Was im Vergleich zu den anderen Prototypen verändert wurde, sagte SpaceX nicht. Aber bei der Präsentation des ersten Starship für Höhenflugtests, Ende 2019, kommentierte Elon Musk kurz eine Folie seines Vortrages.

Die Masse des aktuellen Prototyps – noch ohne Hitzeschutzschild – betrug damals 200 Tonnen, nicht die dort angegebenen 120 Tonnen (damals noch mit erhofften 150 Tonnen Nutzlast). Aber wenn zusätzliche Masse mit in den Orbit fliegt, fehlt sie in der Nutzlast.

SpaceX spricht nicht mehr vom Gewicht

Seitdem gibt es von SpaceX keinerlei Angaben zur Masse des Starship mehr. Aber rund 200 Tonnen dürfte das leere Starship auch heute wiegen, vermutlich etwas mehr.

Die Endphase des Landemanövers, bei der das Starship mit laufenden Triebwerken in der Luft schwebt, wird mit zwei Raptor-Triebwerken durchgeführt. Sie haben einen Minimalschub von rund 90 Tonnen und brauchen noch Manöverspielraum nach unten. Aber ein Triebwerk genügte, um kurzzeitig zu schweben. Dessen Maximalschub beträgt 250 Tonnen.

Das grenzt die Masse des Starship bei der Landung zwischen knapp 200 Tonnen und unter 250 Tonnen ein. Eine plausible Schätzung geht, mit einiger Unsicherheit, von 220 Tonnen aus. Aber auch das erstmals demonstrierte Manöver zur Simulation der Rückkehr aus dem Orbit, wofür die Geschwindigkeit bei einem echten Flug wieder von 27.000 km/h auf 26.500 km/h hätte reduziert werden müssen, lieferte auswertbare Daten zur Schätzung der Masse.

Das Manöver wurde bei dem Test allerdings quer zur Flugrichtung durchgeführt und nicht gegen die Flugrichtung, um die Geschwindigkeit möglichst wenig zu verändern. Das Raptor-Triebwerk lief für 14 Sekunden, was einem Treibstoffverbrauch von 10,7 Tonnen entspricht, falls es mit vollem Schub läuft. Davon ist auszugehen, denn nur mit maximalem Schub hat es die maximale Effizienz.

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