Was wiegt ein Starship?

Mit Hilfe des Treibstoffverbrauchs und der Ausströmgeschwindigkeit von 3.433 m/s des genutzten Triebwerks kann das Starship gewogen werden. Denn um die Geschwindigkeit um 500 km/h oder 139 m/s zu senken, müssen 4 Prozent des Eigengewichts verbrannt werden. Wenn zwischen 10 und 10,7 Tonnen Treibstoff verbrannt wurden, wog das Starship vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zwischen 240 und 257 Tonnen und hatte nur noch genug Treibstoff für die Landung an Bord. Bei früheren Demonstrationen wurde das Triebwerk nur kurz für 1 bis 3 Sekunden gezündet.

Diese Geschwindigkeitsänderungen entsprechen übrigens auch den Daten des Spaceshuttle. Das wurde auf vergleichbaren Flugbahnen vom Wasserstofftank abgetrennt und musste mit eigenem Treibstoff in den Orbit und zurück fliegen. Dafür stand ein Budget für Geschwindigkeitsänderungen, das sogenannte delta-V, von rund 300 m/s oder 1.080 km/h zur Verfügung. Eine trockene Leermasse des Starship über 200 Tonnen – wie es alle Berechnungen und auch Elon Musks Aussage von 2020 nahelegen – ist damit sehr wahrscheinlich.

Das Landemanöver des Starship wird analog zur Super Heavy vermutlich rund 20 Sekunden dauern, was Gravitationsverlusten von 200 m/s entspricht. Es muss dabei eine Restgeschwindigkeit von 100 m/s abbauen. Das ist ein delta-V von 300 m/s. Die Triebwerke sind dabei zum Teil stark gedrosselt und damit ineffizient.

Der spezifische Impuls liegt deutlich unter 327 s. Außerdem werden anspruchsvolle Manöver geflogen. Insgesamt werden nochmals über 10 Prozent des restlichen Eigengewichts des Starship als Treibstoff verbraucht, damit wahrscheinlich rund 30 Tonnen.

Bei der Falcon 9 sind keine Schätzungen nötig

Keine dieser Berechnungen und Schätzungen wäre nötig, wenn SpaceX das Leergewicht einfach nennen würde, wie es in der Raumfahrt sonst üblich ist. Die Oberstufe der Falcon 9 wiegt leer fast genau 4 Tonnen, mit 107 Tonnen Treibstoff, und hat eine rund 2 Tonnen schwere wiederverwendbare Nutzlastverkleidung. Das Merlin-1D-Vakuum-Triebwerk hat eine Effizienz von 348 s und 100 Tonnen Schub. So einfach könnte es sein und noch genauere Zahlen gibt es auch.

Es ergibt sich ein insgesamt konsistentes Bild vom Starship, wenn von rund 220 Tonnen Leergewicht ausgegangen wird, statt dem auf 200 Tonnen geschätzten Minimum, das aber immer noch plausibel wäre. Im Orbit – also nach Aussetzen der Nutzlast, aber vor den Brems- und Landemanövern – befänden sich dann noch 40 Tonnen Treibstoff in den dafür vorgesehenen Manövriertanks (den sogenannten header tanks). Zusammen mit der knapp 40 Tonnen schweren Nutzlast und dem nötigen Treibstoff zur Landung wiegt das Starship etwa 300 Tonnen.

Vor Aussetzen der Nutzlast wird unverbrauchter Treibstoff vom Start ausgeblasen. Dazu zählt auch eine Reserve für den Fall technischer Probleme, damit das Starship selbst mit ausgefallenen Triebwerken noch den Orbit erreichen und später landen kann. Von SpaceX gibt es dazu keine Angaben, was alle Schätzungen unsicher macht. Es ist zu vermuten, dass beim letzten Flug (Flug 13) zumindest ohne Triebwerksprobleme genug Treibstoffreserven an Bord waren, um in niedrige Orbits zu gelangen.

Ein schweres Starship mit wenig Nutzlast hat große Probleme

Da die Nutzlast nur einen Bruchteil der Gesamtmasse des Starship im Orbit darstellt, wird sie immer sehr stark von der Bahnneigung und Höhe des Orbits abhängen. Die Falcon 9 hat in niedrigen Orbits bis zu 17,5 Tonnen Nutzlast, wenn die erste Raketenstufe auf See landet.

Mit einer Bahnneigung von 53°, damit Satelliten auch die USA und Zentraleuropa überfliegen statt ausschließlich tropische Länder, transportiert sie nur noch 15,5 Tonnen. In polare Orbits für globale Abdeckung sinkt die Nutzlast auf etwa 13,5 Tonnen. Dazu kommen nur 4 Tonnen Raketenstufe und der Resttreibstoff.

Bei diesen Orbits kann die zusätzliche Geschwindigkeit der Erdrotation beim Start nicht genutzt werden und sie muss außerdem quer zur Flugrichtung ausgeglichen werden. Dann ist ein zusätzliches delta-v von rund 600 m/s oder 2.150 km/h nötig. Die Masse im Orbit sinkt dadurch um rund 10 bis 20 Prozent.

Selbst wenn ein Starship 100 Tonnen Nutzlast hätte, ausgehend von 300 Tonnen Gesamtmasse im Orbit, hätte es nur einen Nutzlastanteil von 33 Prozent. Wenn die Gesamtmasse um 20 Prozent sinkt, bleiben nur 13 Prozent oder 40 Tonnen übrig. Aber tatsächlich ist der Nutzlastanteil viel kleiner und ein polarer Orbit wäre für das aktuelle Starship selbst ohne Nutzlast nur knapp erreichbar

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