Ein plausibles Modell der technischen Daten des Starship

Ein beim Start 300 Tonnen schweres Starship, mit 1.600 Tonnen Treibstoff im Haupttank und durchschnittlicher Treibstoffeffizienz von 365 s gelangt mit rund 40 Tonnen Nutzlast in den Orbit, weitere 40 Tonnen Treibstoff im Starship werden bis zur Landung verbrannt. Für 100 Tonnen Nutzlast in minimale Orbits wären rund 160 bis 170 Tonnen Leermasse nötig (statt geschätzt 220 Tonnen), wovon in nutzbaren 53-Grad-Starlink-Orbits 60 Tonnen übrig blieben. Das erscheint unplausibel und wird wohl zur inzwischen dritten Korrektur der Nutzlastangabe des Starships führen.

Das Starship wird in unserem Modell von einer 300 Tonnen schweren Super Heavy mit 3.650 Tonnen Treibstoff gestartet. Dabei werden 3.320 Tonnen Treibstoff bis zur Stufentrennung verbrannt. Wir gehen von 5.850 Tonnen Startgewicht und durchschnittlich 340 s Effizienz der Raptor-Triebwerke aus. Das Gewicht und insbesondere der Treibstoffverbrauch bei der Rückkehr der Super Heavy sind wahrscheinlich unterschätzt.

Dabei ist zu beachten, dass die Rakete beim Start nur mit 0,4 g gegen die Schwerkraft beschleunigt und somit 70 Prozent des Schubs der Triebwerke durch die Gravitation verloren gehen. Auch die Luftreibung verursacht anfangs Verluste. Um auf die knapp 6.000 km/h (rund 1.650 m/s) beschleunigt zu werden, muss eine Rakete also weitaus mehr Treibstoff aufwenden, als die Raketengleichung allein vermuten ließe.

Ein Vergleich mit der Falcon 9

Im Ergebnis hat das Starship mit diesen vermuteten Angaben ein mögliches delta-V von 6.609 m/s, wenn 300 Tonnen im Orbit ankommen sollen, die Super Heavy hat ein delta-V von 2.795 m/s. Dabei hat auch das Starship noch gewisse Gravitationsverluste. Zusammen ergibt das eine theoretisch mögliche Beschleunigung von Null auf 9.404 m/s. Das liegt im Bereich typischer Werte für Trägerraketen und kann mit der Falcon 9 abgeglichen werden, für die zuverlässige Werte bekannt sind.

Die Oberstufe der Falcon 9 wird in 50 km größerer Höhe mit 550 m/s mehr Geschwindigkeit abgetrennt und hat mit 17,5 Tonnen Nutzlast, 4 Tonnen Leermasse, 107 Tonnen Treibstoff und 348 s Effizienz rechnerisch ein delta-V von 6.100 m/s. Dabei ist mit geringeren Gravitationsverlusten als beim Starship zu rechnen, allerdings benötigt die Raketenstufe noch eine halbe Tonne Treibstoff für einen kontrollierten Wiedereintritt, was das mögliche delta-V auf 6.025 m/s reduziert.

Die erste Stufe der Falcon 9 hat bei den aktuellen Starlink-Missionen ein rechnerisches delta-V von 3.233 m/s. Das sind 438 m/s mehr delta-V als bei der Super Heavy und damit etwas weniger als die rund 570 m/s höhere Abtrenngeschwindigkeit. (Angenommen werden 25 Tonnen Treibstoffverbrauch zur Wiederverwendung der Falcon 9, was aus der 2.000 km/h niedrigeren Abtrenngeschwindigkeit mit 17,5 Tonnen maximaler Nutzlast in dieser Konfiguration berechnet wurde.)

Super Heavy hat im Flug höhere Gravitationsverluste

Die Diskrepanz kann durch die Kombination einer Reihe von Faktoren zustande kommen. Einer ist die mögliche Unterschätzung der Leermasse der Super Heavy und der sehr optimistisch gerechnete Treibstoffverbrauch bei ihrer Rückkehr. Vor allem aber hat die Super Heavy inhärent höhere Gravitationsverluste als die Falcon 9. Einmal müssen die Hitzeschutzkacheln des Starship durch geringere Fluggeschwindigkeiten vor zu großen aerodynamischen Belastungen geschützt werden. Hinzu kommen weitere Verluste gerade wegen des geringeren Treibstoffverbrauchs der Triebwerke.

Denn die Falcon 9 verbrennt ihren Treibstoff beim gleichen Schub schneller und erreicht damit auch schneller eine höhere Beschleunigung, obwohl sie beim Start fast das gleiche Masse-Schub-Verhältnis hat und entsprechend die gleiche Anfangsbeschleunigung von 0,4 g.

Die Raptor-Triebwerke haben mit ihren nominellen 327 s im Vergleich zu den 282 s der Merlin-1D-Triebwerke der Falcon 9 aber einen 14 Prozent geringeren Treibstoffverbrauch. Die Falcon 9 verbraucht pro Sekunde 0,5 Prozent ihrer Startmasse an Treibstoff, das Starship nur 0,43 Prozent. Demnach würde die Falcon 9 nach 40 Sekunden mit 0,875 g beschleunigen, während das Starship nur auf 0,69 g kommt und dabei 59 Prozent des Schubs an die Gravitation verliert. Die Falcon 9 verliert hingegen nur 53 Prozent, solange beide senkrecht nach oben fliegen.

Die Starship-Konstruktion ist nahe den Grenzen der Physik

Für genaue Angaben würden bessere Telemetriedaten beim Start benötigt. Die zusätzlichen Verluste führen niemals dazu, dass effizientere Triebwerke schlechter wären, aber sie verringern den möglichen Leistungsgewinn. Doch selbst das könnte mit zusätzlichen Triebwerken für einen höheren Anfangsschub ausgeglichen werden.

Dennoch ist die Leistungsfähigkeit des Starships insgesamt durch die geringe Abtrenngeschwindigkeit stark limitiert und die Super Heavy ist ebenso nahe an den physikalischen Grenzen. Die Geschwindigkeit wird vor allem durch das Umkehrmanöver und die hohe Masse des Starship begrenzt, was wegen des exponentiell steigenden Treibstoffverbrauchs bei höheren Anforderungen an die Geschwindigkeit verheerende Folgen für die Nutzlast des Starship hat.

Egal, wie viel Aufwand SpaceX mit der aktuellen Starship-Konstruktion noch betreibt, um Gewicht einzusparen und dessen Nutzlast zu erhöhen: Es geht mit der gleichen Technik viel besser.

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