Mehrwegrakete: Schieß sie noch mal ins All
Wiederverwenden statt Einwegraketen: Während die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) zum Konzept aus dem Apollo-Zeitalter zurückkehrt, setzen US-Raumfahrtunternehmen auf das Vorbild des Spaceshuttles: Statt die Antriebsstufe einer Rakete ins Meer fallen oder beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verglühen zu lassen, wollen die privaten Raumfahrer Teile ihrer Trägerraketen mehrfach nutzen. Sie wollen aber unterschiedliche Teile bergen.
Allen voran propagiert Elon Musk, Chef von Space Exploration Technologies(öffnet im neuen Fenster) (SpaceX), das Konzept der wiederverwendbaren Raketen: Die erste Stufe der Trägerrakete soll landen und dann in kurzer Zeit wieder startbereit sein. Aber auch Blue Origin(öffnet im neuen Fenster) und United Launch Alliance(öffnet im neuen Fenster) (ULA) wollen Teile mehrfach nutzen.
ULA kündigt neue Rakete an
ULA, ein Gemeinschaftsunternehmen der Luft- und Raumfahrtkonzerne Boeing und Lockheed Martin, hat kürzlich das Konzept für eine neue Trägerrakete vorgestellt. Next Generation Launch System(öffnet im neuen Fenster) (NGLS) ist die offizielle Bezeichnung der Rakete. US-Bürger tauften sie in einer Online-Abstimmung Vulcan. Die Rakete solle "die leistungsstärkste und kosteneffizienteste Rakete auf dem Markt werden" , kündigte ULA-Chef Tory Bruno an(öffnet im neuen Fenster) .
Die Vulcan wird aus zwei Antriebsstufen und einer Verkleidung für die Nutzlast bestehen. Die Nutzlastverkleidung kann einen Durchmesser von vier oder fünf Metern haben. Außen an der ersten Stufe angebrachte Feststoffraketen sorgen für zusätzlichen Schub. Bei dem Vier-Meter-Konus werde es bis zu vier, bei dem Fünf-Meter-Konus bis zu sechs Booster sein. Die Rakete kann laut ULA für Missionen in niedrige Erdumlaufbahnen (Low Earth Orbit, Leo) ebenso eingesetzt werden wie für Reisen zu entfernten Himmelskörpern, etwa dem Pluto.
Vulcan bekommt andere Triebwerke
Die erste Stufe der Vulcan wird ein anderes Triebwerk erhalten als eine derzeitigen Raketen von ULA: Das Unternehmen will Triebwerke vom US-Raumfahrtunternehmen Blue Origin beziehen. Die Atlas(öffnet im neuen Fenster) , die demnächst das unbemannte Raumfahrzeug X-37B in den Orbit bringen wird, fliegt mit russischen Raketentriebwerken vom Typ RD-180(öffnet im neuen Fenster) .
Da die politischen Beziehungen zwischen den USA und Russland sich massiv verschlechtert haben, soll offensichtlich auf inländische Produkte zurückgegriffen werden – auf das Triebwerk von Blue Origin oder alternativ auf eines des US-Unternehmens Aerojet Rocketdyne(öffnet im neuen Fenster) .
ULA will nur das Triebwerk bergen ...
Die erste Stufe wird aus zwei Teilen bestehen: dem Tank und der Antriebseinheit mit zwei BE-4-Triebwerken(öffnet im neuen Fenster) . Diese will ULA bergen und erneut einsetzen – anders als bei Konkurrent SpaceX soll also nicht die ganze erste Stufe wiederverwendet werden.
Nach dem Ausbrennen der Triebwerke werde die Antriebseinheit vom Tank getrennt, sagt George Sowers, Bereichsleiter Advanced Programs bei ULA, zu Golem.de. Dann werde ein aufblasbarer Hitzeschild entfaltet, der verhindern soll, dass die Antriebseinheit beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verglüht. Um den Fall zu bremsen, entfaltet sich ein Fallschirm.
... und ein Hubschrauber fängt es
Während die Antriebseinheit an ihrem Fallschirm zur Erde segelt, soll ein Hubschrauber aufsteigen und die Triebwerke bergen – im Flug. "Der Helikopter wird den Fallschirm mit einem Haken einfangen" , beschreibt Sowers. Das klingt zumindest nach einem interessanten Konzept.
Während Vulcan noch ein Konzept ist, übt SpaceX schon fleißig den Abstieg und die Landung von Raketen.
SpaceX steigt ab
2012 begann das Raumfahrtunternehmen von Paypal-Gründer und Tesla-Motors-Chef Musk, den kontrollierten Abstieg von Raketen zu testen. Vertical-Takeoff-Vertical-Landing-Rakete (VTVL) heißt das Konzept. Dazu benötigt die Trägerrakete Falcon 9(öffnet im neuen Fenster) einige Komponenten, auf die eine Einweg-Rakete verzichten kann.
Die erste Stufe der Falcon 9 hat vier Füße aus Aluminium und Stahl, die mit hydraulischen Dämpfern ausgestattet sind, auf denen sie senkrecht stehend landet. Beim Abstieg zur Erde wird die Raketenstufe von Triebwerken gebremst. 2014 bekam die Falcon noch vier Flügel, die die Rakete stabilisieren sollen. Es sind vier Gitter, die beim Abstieg rechtwinklig ausgeklappt werden. Jeder Flügel kann individuell angesteuert werden. So kann die Rakete beim Abstieg ausbalanciert werden.
Grasshopper landet
Getestet hat SpaceX das VTVL-Konzept mit der experimentellen Rakete Grasshopper: eine abgespeckte erste Stufe der Falcon 9, bestehend aus dem Tank und einem Merlin-Raketentriebwerk. Die reguläre erste Stufe der Falcon 9 hat neun Triebwerke. Die beiden ersten Starts waren nur Hopser: Im September 2012 flog die Rakete drei Sekunden lang und stieg dabei 1,8 Meter hoch, und im November schaffte sie acht Sekunden und 5,4 Meter.
Ab 2013 ging es dann höher hinauf: im März 80 Meter, einen Monat später sogar 250 Meter . Bei diesem Flug widerstand die Grasshopper relativ starkem Seitenwind. Im August ließ SpaceX die Rakete seitwärts fliegen : Während des Aufstiegs auf 250 Meter bewegte sie sich rund 100 Meter seitwärts. Im Sinkflug kehrte sie wieder zum Ausgangspunkt zurück.
Falcon bekommt neue Triebwerke
Im Oktober 2013 beendete SpaceX das Grasshopper-Programm – mit einem Aufstieg bis in eine Höhe von 744 Metern . Im Monat zuvor hatte SpaceX erstmals den Abstieg mit der Falcon 9v1.1(öffnet im neuen Fenster) , der weiterentwickelten Version der Falcon 9 getestet. Sie hat neue Merlin-Triebwerke, die mehr Schub erzeugen und die anders angeordnet sind: Acht der Merlin-1D-Triebwerke bilden einen Kreis um ein neuntes.
Anfangs ließ SpaceX die Rakete über dem Meer absteigen und anschließend ins Wasser plumpsen. Beim ersten Versuch trat die Rakete sicher in die Atmosphäre ein und stieg kontrolliert ab. Kurz vor dem Wassern wurden die Triebwerke noch einmal gezündet, um die Rakete abzubremsen. Dabei kam es zu einem Problem mit der Treibstoffzufuhr. Das Triebwerk ging aus, die Rakete schlug auf dem Wasser auf und zerschellte.
Falcon soll auf Schwimmplattform landen
Besser wurde es im folgenden Jahr: Es gelang 2014 mehrfach, die erste Stufe der Falcon kontrolliert bis zur Meeresoberfläche absteigen zu lassen. Anfang Januar 2015 kündigte SpaceX dann an, die Raketenstufe erstmals landen zu lassen . Allerdings nicht auf festem Boden, sondern auf einer schwimmenden Landeplattform. Das Autonomous Spaceport Drone Ship schwimmt frei im Atlantik und wird von mehreren starken Triebwerken in Position gehalten – SpaceX begründete das mit der Sicherheit.
Die Plattform anzufliegen, war jedoch nicht das Problem: Der Abstieg gelang. Doch die Rakete kippte und explodierte . Grund sei ein Druckabfall in der Hydraulik gewesen, erklärte Musk später .
Musk löscht Erklärungs-Tweet
Nicht viel besser lief es beim zweiten Versuch im April: Wieder stieg die F9R zum Autonomous Spaceport Drone Ship ab. Das misslang jedoch erneut. Die Rakete setzte auf der Plattform auf, kippte um und explodierte . Ein Treibstoffventil habe nicht richtig funktioniert, twitterte Musk, löschte den Tweet dann aber wieder.
Am 19. Juni wird eine Falcon wieder den Raumtransporter Dragon auf den Weg zur Internationalen Raumstation (International Space Station, ISS) bringen. Auf dem Rückweg will SpaceX den nächsten Versuch unternehmen, die Rakete landen zu lassen. Dann aber am liebsten an Land, sagte SpaceX-Managerin Gwynne Shotwell im April der US-Wochenzeitung Defense News(öffnet im neuen Fenster) .
Außer Musk arbeitet noch ein weiterer Dotcom-Unternehmer am Projekt Raumfahrt, und auch er setzt auf mehrfach nutzbare Raumfahrzeuge.
Blue Origin fliegt wieder
Einige Jahre lang war wenig von Blue Origin, dem Raumfahrtunternehmen von Amazon-Gründer Jeff Bezos, zu hören. Kürzlich hat es jedoch einen Test mit seinem Raumschiff New Shepard(öffnet im neuen Fenster) durchgeführt. Blue Origin will mit dem Raumschiff, das nach dem 1998 gestorbenen Astronauten Alan Shepard(öffnet im neuen Fenster) benannt ist, suborbitale Flüge für Touristen anbieten.
New Shepard besteht aus zwei Modulen, der kegelförmigen Mannschaftskapsel und dem Antriebsmodul oder Booster, das auf vier Füßen landen soll. Seine BE-3-Triebwerke werden mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben. Der Booster soll die Mannschaftskapsel bis in etwa 100 Kilometer Höhe, also an den Rand des Weltraums bringen. Dort wird die Mannschaftskapsel abgetrennt und kehrt dann, von Fallschirmen gebremst, zur Erde zurück. Der Booster zündet nach einem kurzen freien Fall die Triebwerke und sinkt zur Erde ab und landet – vergleichbar der F9R.
Mannschaftskapsel landet sanft
Ende April testete Blue Origin dieses Szenario auf dem firmeneigenen Testgelände im US-Bundesstaat Texas. Zunächst lief alles nach Plan: New Shepard stieg bis in eine Höhe von knapp 94 Kilometern auf und trennte die unbemannte Kapsel ab. Deren Fallschirme öffneten sich, und sie landete wohlbehalten wieder auf der Erde. "Jeder Astronaut an Bord hätte einen schönen Flug in den Weltraum und eine sanfte Rückkehr gehabt" , resümierte Bezos(öffnet im neuen Fenster) .
Weniger erfolgreich war der Part des Antriebsmoduls: Ähnlich wie bei der ersten missglückten Falcon-Landung kam es auch bei der New Shepard zu einem Druckabfall im hydraulischen System. Die Antriebsstufe wurde beim Aufsetzen zerstört.
Neue Tests sind in Vorbereitung
Zwei neue Antriebsstufen seien jedoch schon im Bau, sagt Bezos – Blue Origin werde in Kürze den nächsten Testflug durchführen. Seit den letzten Tests sind gut vier Jahre vergangen: Im Mai 2011 startete und landete New Shepard erfolgreich . Beim folgenden Test im August wurde das Raumfahrzeug jedoch zerstört.
Trotz der Misserfolge hält Blue Origin aber an dem VTVL-Konzept fest. "Wir haben uns für VTVL entschieden, weil es bis auf große Größen skaliert" , erklärt Bezos. Das Unternehmen plane bereits einen Nachfolger für New Shepard, der sehr viel größer werde. Dieses Raumschiff solle auch bis in die Erdumlaufbahn kommen. Angetrieben wird es durch die BE-4-Triebwerke, die auch ULA in der Vulcan verbauen will.
Blue Origin baut auf DC-X auf
New Shepard ist eine Fortführung des Delta Clipper Experimental(öffnet im neuen Fenster) (DC-X). Das US-Luft- und Raumfahrtunternehmen McDonnell Douglas hatte die einstufige, wiederverwendbare Trägerrakete in den frühen 1990er-Jahren im Auftrag von Nasa und US-Verteidigungsministerium gebaut. Der DC-X beruhte auf Entwürfen von McDonnell Douglas aus den 1960er-Jahren.
Nach mehreren erfolgreichen Testflügen übernahm die Nasa den Prototypen Mitte der 1990er-Jahre. Die Nasa-Techniker modifizierten den DC-X und testeten ihn dreimal erfolgreich. Beim vierten Start kippte er nach der Landung um, fing Feuer und verbrannte. Danach stellte die Nasa das Programm ein. Einige der Mitarbeiter aus dem DC-X-Projekt von McDonnell Douglas wechselten zu Blue Origin und entwickelten New Shepard.
Aber ist es realistisch, eine Rakete wiederzuverwenden? Und rechnet sich das?
Zehn Mal fliegen lohnt sich schon
Holger Burkhardt, der beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Raumfahrtmanagement in der Trägerabteilung tätig ist, hält die Wiederverwendung von Raketen für "technisch machbar, aber ob ökonomisch sinnvoll, muss erst noch bewiesen werden. Hauptargument für die Wiederverwendbarkeit von Raumtransportsystemen sind die erwarteten Kosteneinsparungen" , sagt er Golem.de.
Beim Betrieb einer Rakete entstünden Kosten für die Produktion, den Treibstoff und den Betrieb. Ihnen stehen die Einnahmen für den Transport von Nutzlasten in All gegenüber. Die Rechnung sieht dann so in etwa aus: Werden wie bei ULA Teile oder im Falle von SpaceX ein ganze Raketenstufe wiederverwendet, sinken die Produktionskosten. Dafür fallen andere Kosten an, für eine Bergung oder den Transport der Rakete zurück an den Startplatz sowie die Wartung der Komponenten.
Wiederverwenden geht auf Kosten der Nutzlast ...
Soll eine Rakete landen, braucht sie dafür eine Vorrichtung, wie etwa Füße, auf denen sie aufsetzt. Außerdem ist ein System nötig, das den Fall bremst – ein Fallschirm oder, im Fall von SpaceX und Blue Origin, zusätzlicher Treibstoff für den kontrollierten Abstieg. Das bedeutet zusätzliches Startgewicht, das wiederum "die erzielbare Nutzlast in den Orbit" reduziere, sagt Burkhardt. Und weniger Nutzlast bedeute geringere Einnahmen. "Es bleibt deshalb offen, ob sich die erhofften Kosteneinsparungen realisieren lassen."
Die Raumfahrtunternehmen sind von ihren Konzepten überzeugt. "Solange wir weiterhin Raketen und Raumschiffe wegwerfen, werden wir nie echten Zugang zum Weltraum haben. Es wird immer unglaublich teuer sein" , sagte SpaceX-Chef Musk 2014 bei der Vorstellung der Raumfähre Dragon V2 . Leider will sich SpaceX über Musks offizielle Aussagen hinaus nicht über die wirtschaftliche Seite des Raketen-Recyclings äußern.
... soll aber Kosten sparen
Im Haus ULA ist man sich der Sache sicher: Grund für die Wiederverwertung seien in erster Linie die Kosten, sagt der ULA-Manager Sowers. Allerdings sei der Aufwand auch geringer als der, den SpaceX betreibe – vom Auffangen des Triebwerks im Flug vielleicht mal abgesehen. "Wir glauben nicht, dass sich die Wiederverwendung einer ganzen Stufe wegen der Schwierigkeiten und des Leistungsverlusts durch die Rückgewinnung lohnt."
Die Antriebseinheit ist die teuerste Komponente der ersten Stufe: Sie macht knapp zwei Drittel der Kosten der Stufe aus. Da sie nicht landen muss, sind weniger Komponenten nötig als an der F9R oder an New Shepard: Die Vulcan-Triebwerke brauchen keine Füße oder ausklappbaren Flügel, die die F9R beim Abstieg stabilisieren. Auch Treibstoff für Bremsraketen fällt weg. Benötigt werden ein Hitzeschild und ein Fallschirm.
Flüssiggas erleichtert erneute Triebwerksnutzung
Die Kosten für die Wiederverwendung seien nicht so hoch, sagt Sowers. Die BE-4-Triebwerke würden mit flüssigem Erdgas (Liquid Natural Gas, LNG) und flüssigem Sauerstoff befeuert. Bei deren Verbrennung entstünden beispielsweise keine Kohlenstoffrückstände – das erleichtere die Wiederverwendung der Triebwerke.
DLR-Wissenschaftler Burkhardt ist skeptisch: Die Triebwerke seien die heikelste Komponente einer Rakete, da hier "eine extrem hohe thermo-mechanische Belastung auftritt" , sagt er. Da "werden die Grenzen einer sicheren Wiederverwendbarkeit deutlich schneller erreicht" als bei Strukturbauteilen und der Avionik.
Die BE-4-Triebwerke werden aber offensichtlich auf eine mehrfache Verwendung hin entwickelt – schließlich will Blue Origin die New Shepard mehr als nur einmal einsetzen. Sie seien so beschaffen, dass sie "Dutzende Male" eingesetzt werden könnten, sagt Sowers. "Wir brauchen fünf bis zehn Einsätze, damit sich das lohnt."
Nachtrag vom 19. Mai 2015, 15:10 Uhr
In einer früheren Version des Textes hieß es irrtümlich, ULAs Trägerrakete Delta habe russische Triebwerke und die Falcon 9 starte auf ihren Füßen stehend. Beide Fehler sind korrigiert.