Ein viel kleineres Starship hätte über 100 Tonnen Nutzlast

Die beste Lösung ist ein nautisches Umkehrmanöver: die Rückkehr mit dem Schiff statt mit den Raketentriebwerken. Tatsächlich hatte SpaceX über Starts und Landungen auf dem Meer nicht nur nachgedacht, sondern sogar zwei Ölbohrinseln für einen potenziellen Umbau gekauft und auf die Namen der Marsmonde Phobos und Deimos getauft (deutsch: Angst und Schrecken).

Beim Gedanken, Raketenstufen an einem im Meer schwankenden Fangturm zu landen, kam aber wohl zu viel Angst und Schrecken auf. Die chinesische Langer Marsch 10 zeigte vor Kurzem, dass Landungen mit Stahlseilen viel flexibler und ebenso ohne Landebeine durchführbar sind. Aber auch mit Landebeinen wäre ein effizientes Starship nach dem Vorbild des Landemanövers der Falcon 9 möglich, das mehr als die versprochenen 100 Tonnen Nutzlast in den Orbit tragen kann und dabei kleiner und billiger ist.

Das große Problem des Starship ist die sehr ungleiche Verteilung der Beschleunigung auf die erste und zweite Stufe. Da der Treibstoffbedarf exponentiell mit dem delta-V steigt, sollten theoretisch beide Stufen ungefähr um die gleiche Geschwindigkeit beschleunigt werden. Tatsächlich ist die erste Stufe aber weniger effizient, so dass sie etwas weniger zur Beschleunigung beitragen sollte als die zweite Stufe. Die Super Heavy liefert nur 30 Prozent des gesamten delta-V beim Start des Starship, ein viel zu kleiner Anteil.

Die 10.000 km/h der Raptor 33

Um das zu korrigieren, müsste SpaceX eine neue Rakete konstruieren. Die Raketenstufen werden wir nach der Art und Zahl der Haupttriebwerke zunächst Raptor 33 und Raptor 4 nennen. Bei kleinen Abweichungen von der optimalen Stufenaufteilung sind die Verluste relativ klein und ohnehin vom angestrebten Orbit abhängig.

Eine perfekte Aufteilung der Stufen ist also nicht nötig, sie sollte einfach nur besser als beim Starship sein. Das Ziel ist, zu zeigen, dass beim gleichen Startgewicht mit kleineren Oberstufen mehr Leistung problemlos möglich ist, und wie realistische Entwicklungsrichtungen aussehen.

Das erste Ziel ist, eine der Falcon 9 ähnliche Stufenaufteilung zu erreichen. Das läuft wegen der, im Vergleich zum Merlin 1D, effizienteren Raptor-Triebwerke auf eine Stufentrennung bei rund 10.000 km/h bei Landung auf einem Schiff hinaus.

Ausgehend von der Super Heavy und einem identischen Startgewicht von 5.850 Tonnen wird die Raptor 33 eine verlängerte Version der Super Heavy sein. Sie ist für einfache Flugmanöver ähnlich der Falcon 9 vorgesehen, was zu deutlichen Gewichtseinsparungen führen sollte. Dennoch wird die Leermasse bei 300 Tonnen belassen und nicht auf 250 Tonnen gesenkt (das wäre das Zehnfache der Falcon 9) und dafür wegen der Stahlkonstruktion trotz höherer Belastung eine mit der Falcon 9 vergleichbare Widerstandsfähigkeit beim Wiedereintritt angenommen.

Die Raptor 33 benötigt wenigstens ein um 1.125 m/s höheres delta-V als die Super Heavy, also 3.920 m/s. Dafür müssen 69,1 Prozent der Startmasse an Treibstoff verbrannt werden. Von den 5.850 Tonnen bleiben dann 1.806 Tonnen übrig (mit 340 s durchschnittlicher Effizienz). Davon sind 300 Tonnen das Leergewicht der Raptor 33, die nach Vorbild der Falcon 9 als Nächstes von 10.000 km/h auf etwa 5.300 km/h abgebremst werden muss, damit sie den Wiedereintritt übersteht und anschließend landen kann.

Ein kleines Starship mit über 100 Tonnen Nutzlast

Für das Landemanöver wird ein großzügiges delta-V von 500 m/s angenommen (20 s Dauer und 300 m/s Restgeschwindigkeit), ohne dauerhafte starke Drosselung der Triebwerke (die Stahlseile können größere Abweichungen in der Restgeschwindigkeit abfangen als Landebeine oder Fangarme). Dafür werden 17 Prozent der Leermasse der Raptor-33-Stufe als Treibstoff benötigt. Das Bremsmanöver davor benötigt zusätzlich weitere 46 Prozent der Masse vor dem Landemanöver.

Die Raptor 33 wiegt bei der Stufentrennung, inklusive Treibstoff für Bremsmanöver und Landung, 171 Prozent ihrer Leermasse oder 513 Tonnen. Also bleiben für die Raptor 4 – inklusive Nutzlast – noch 1.293 Tonnen übrig. Die müssen bis zum Orbit um 5.600 m/s beschleunigt werden. Das ist immer noch eine ungünstige Aufteilung. Dennoch gelangen 271 Tonnen mithilfe von 1.022 Tonnen Treibstoff in den Orbit.

Das sind zwar 10 Prozent weniger Gesamtmasse als beim Starship, aber dank 4.000 km/h zusätzlicher Startgeschwindigkeit ist die Raptor 4 mit ihren vier Triebwerken und ihrem nur 1.022 Tonnen fassenden Treibstofftank um 36 Prozent leichter. Statt 250 Tonnen wiegt sie nur 160 Tonnen. Das ist eine Einsparung von 90 Tonnen – inklusive reduziertem Treibstoffbedarf für Rückkehr und Landung – gegenüber einem Verlust von 30 Tonnen Gesamtmasse im Orbit. Das sind 110 Tonnen Nutzlast, mehr als für das Starship versprochen wurde.

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