Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/space-x-und-space-shuttle-kann-sich-wiederverwendung-in-der-raumfahrt-lohnen-1601-118307.html    Veröffentlicht: 08.01.2016 11:57    Kurz-URL: https://glm.io/118307

Space X und Spaceshuttle

Kann sich Wiederverwendung in der Raumfahrt lohnen?

Die US-Raumfahrtbehörde Nasa will nach dem Ende des Spaceshuttle-Programms zurück zur Einwegrakete. SpaceX-Chef Elon Musk hingegen plant, seine Raketen mehrfach ins All zu schießen. Das soll Raumflüge günstiger machen.

Die erfolgreiche Landung der ersten Stufe der Trägerrakete Falcon 9 belebt das alte Versprechen einer billigeren Raumfahrt durch Wiederverwendbarkeit wieder. Viele erinnern sich noch an das Spaceshuttle-Programm, das mit einem Budget von über 200 Milliarden US-Dollar nur 135 Flüge realisierte. Was die Raumfahrt billiger machen sollte, wurde zum teuersten Programm aller Zeiten. Ist also Skepsis angebracht, wenn das US-Raumfahrtunternehmen SpaceX nun wieder behauptet, dass es durch Wiederverwendung Raumfahrt viel billiger machen könne?

Die Argumentation von SpaceX-Chef Elon Musk ist durchaus einleuchtend. Fast niemand könnte sich einen Flug mit einem Flugzeug leisten, wenn das Flugzeug nach jedem Flug weggeworfen würde. Stattdessen würden sie im Allgemeinen nur kurz inspiziert, neu aufgetankt - und flögen dann weiter. Der Treibstoff macht nur etwa 0,3 Prozent der Startkosten einer Falcon-9-Rakete aus. Das Potenzial für Einsparungen ist also da.

Was lief beim Spaceshuttle schief?

Trotzdem erreichte das Spaceshuttle die Einsparungen nicht einmal im Ansatz. Aber ein gescheiterter Versuch ist noch kein Beweis, dass die gesamte Idee falsch ist. Viel interessanter ist die Frage, was beim Spaceshuttle schiefgelaufen sein muss, warum also die Kosten trotz Wiederverwendung so hoch ausfielen. Die Antwort: Verantwortlich waren letztlich politische Entscheidungen, die zu einer unsinnigen Konstruktion geführt haben.

Aus physikalischer Sicht war das Spaceshuttle eine klassische zweistufige Rakete. Zwei knapp 600 Tonnen schwere Feststoffraketen bildeten die erste Stufe. Das Shuttle mit dem großen Treibstofftank war die zweite Stufe - auch wenn die zweite Stufe zur Sicherheit zusammen mit der ersten am Boden gezündet wurde. Der Tank wog 26,5 Tonnen und fasste etwa 735 Tonnen Treibstoff. Dazu kam noch das 80 Tonnen schwere Shuttle selbst, mit jeweils etwa 20 Tonnen Treibstoff und 20 Tonnen Nutzlast - je nach Orbit.

Das Spaceshuttle kam nicht in den geostationären Orbit

Das Shuttle brauchte so viel eigenen Treibstoff, weil es nicht ganz in eine Umlaufbahn gebracht wurde. Nur so konnte der große Treibstofftank noch kontrolliert über dem Meer abstürzen. Das letzte Stück in den niedrigen Orbit musste das Shuttle selbst zurücklegen. Hohe Orbits wie die Übergangsbahn zum geostationären Orbit (GSO) konnte es gar nicht erreichen. Dazu musste es noch eine Raketenstufe als Nutzlast mitnehmen.

Für einen Satelliten wären dann höchstens noch 3,8 Tonnen übriggeblieben. Aber die dafür nötige Centaur-Stufe wurde nie eingesetzt. Mit der tatsächlich benutzten Oberstufe Inertial Upper Stage (IUS) blieben aber nur 2,3 Tonnen - weniger als die Nutzlast einer Sojus-2-Rakete.

Auf die letzte Stufe kommt es an

Der wichtigste Teil einer Rakete ist immer die letzte Stufe. Denn sie muss dorthin kommen, wo die Nutzlast ausgesetzt wird. Jede Tonne zusätzliches Gewicht in der zweiten Stufe ist eine Tonne weniger mögliche Nutzlast, sie sollte also kein überflüssiges Gewicht haben. Zusätzliches Gewicht in der ersten Stufe wird dagegen nicht in den Orbit mitgenommen und hat deswegen viel weniger Auswirkungen auf die Nutzlast. Genau deswegen gibt es die erste Stufe und das Konzept der mehrstufigen Rakete. Experimente, die zusätzliches Gewicht erfordern, kosten in der ersten Stufe also weniger Leistung als in der zweiten.

Beim Spaceshuttle war es das genaue Gegenteil: Vom Leergewicht der zweiten Stufe entfielen nur etwa 20 Tonnen auf die Nutzlast und über 100 Tonnen auf den Orbiter und den Treibstofftank. Diese 100 Tonnen mussten zusätzlich in den Orbit gebracht werden, weshalb das ganze System beim Start etwa fünfmal so viel wog wie Raketen mit vergleichbarer Nutzlast. Die dafür nötige Antriebstechnik musste den fünffachen Schub liefern und wurde entsprechend teurer.

Die Spaceshuttle-Triebwerke waren empfindlich

Noch dazu waren die Triebwerke des Spaceshuttles technologisch eine Neuentwicklung. Sie liefen im etwas effizienteren Hauptstromverfahren, mit viel höherem Brennkammerdruck und höherer Leistung der Turbopumpen. Sie waren einerseits eine technologische Spitzenleistung. Diese neue Technik sollte aber gleich in den dauerhaften Einsatz gehen und erwies sich als anfälliger als gedacht. Kein Triebwerk erreichte jemals die geplante Lebensdauer von 55 Flügen. Sie mussten zur Wartung regelmäßig ausgebaut und zerlegt werden. Ein einziges der drei Haupttriebwerke eines Spaceshuttle kostete 2006 mit 50 Millionen US-Dollar fast so viel wie eine ganze Mission mit einer Falcon-9-Rakete.

Der mit Abstand größte Fehler war aber die Besatzung. Menschen mussten schon für den einfachen Start eines Satelliten mitgenommen, versorgt und in Gefahr gebracht werden. Dabei war die Automatisierung kein Problem. Schon beim Entwurf des Shuttles in den 1970er Jahren liefen Flüge grundsätzlich automatisch ab. Die Besatzung verursachte überall zusätzliche Kosten und mehr Gewicht, weshalb sich der Einsatz für solche Missionen nie lohnte.

Bemannt ist problematisch

Ein bemanntes Raumschiff ist keine minimalistische Raketenstufe und kann auch nicht so behandelt werden. Sicherheitsvorkehrungen mussten wegen der Besatzung viel schärfer, aufwendiger und teurer sein, auch wenn sie letztlich zwei tödliche Unfälle nicht verhindert haben. Auf diese Weise führte jede Entscheidung zu mehr Masse, mehr Aufwand und mehr Kosten. Um ein Shuttle in einen niedrigen Erdorbit zu bringen, war schließlich eine Rakete nötig, die fast das gleiche Startgewicht wie eine Saturn-V-Rakete für den Flug zum Mond hatte.

Es überrascht bei solchen Größenordnungen also nicht, dass die bloße Wiederverwendung des Orbiters keine Einsparungen brachte. SpaceX geht mit der Falcon 9 das Problem dagegen anders an.

Was SpaceX aus den Fehlern gelernt hat

Die Falcon-9-Rakete besteht aus betont einfacher Technik, die lediglich auf den aktuellen Stand gebracht wurde. Die Merlin-Triebwerke arbeiten mit Kerosin und Sauerstoff im Gasgeneratorzyklus. Das Gas aus dem Gasgenerator, das die Turbopumpen antreibt, wird nicht weiterverwendet. Es sind nicht die effizientesten Triebwerke der Welt, aber - im Vergleich zum Schub - die leichtesten. Jedes Jahr werden über 100 dieser Triebwerke hergestellt. Die Tanks der Rakete bestehen aus einer leichten Aluminium-Lithium-Legierung aus dem Flugzeugbau. Das Ergebnis ist eine Rakete, die schon ohne jede Wiederverwendung wesentlich günstiger als vergleichbare Konkurrenz ist.

Die Wiederverwendung setzt bei der ersten Stufe an und wurde aus der einfachen Rakete heraus entwickelt. Das hat mehrere Vorteile. Die Raketenstufe fliegt bei der Trennung nur mit etwa 8.000 bis 9.000 km/h, nicht mit 28.000 km/h wie das Spaceshuttle. Das war bei ersten Versuchen mit der Falcon 1 und Falcon 9 v1.0 immer noch zu schnell. Die Stufen traten damals noch unkontrolliert in die Atmosphäre ein und zerbrachen dabei, anstatt sanft am eingebauten Fallschirm im Meer zu landen.

Die Stufe wird beim Abstieg von Triebwerken abgebremst

Um solche Schäden zu vermeiden, wird die Lage der Stufe kontrolliert und vor dem Wiedereintritt mit den Raketentriebwerken abgebremst. Ohne das Gewicht der zweiten Stufe und des verbrauchten Treibstoffs ist das ohne weiteres möglich. Die ersten Landungen wurden mit völlig unveränderten Raketenstufen über dem Meer durchgeführt, nachdem die erste Stufe abgetrennt wurde und die zweite Stufe unterwegs war.

Danach folgten minimale Änderungen wie größere Tanks für die Kaltgasdüsen, als man merkte, dass die Stufe beim Rückflug zu stark in Rotation geriet. Endgültig wurde das Problem erst mit kleinen Gitterflossen gelöst. Die einzige größere Änderung im Vergleich zur Originalrakete sind die vier ausklappbaren Landebeine aus Kohlefaser. Selbst die Triebwerke mussten nicht verändert werden. Sie waren von Anfang an darauf ausgelegt, im Flug mehrfach gestartet zu werden, weil in beiden Stufen identische Triebwerke zum Einsatz kommen.

Baikal-Booster landet wie ein Flugzeug

Das ist kein Vergleich zu dem Aufwand, der beim Shuttle für den Wiedereintritt betrieben werden musste. Es ist auch viel eleganter als Konzepte wie der wiederverwendbare Baikal Booster, der wie ein Flugzeug mit Flügeln und Düsentriebwerken zurückfliegen sollte. Diese Änderungen sind so radikal, dass sie eine völlig neue Entwicklung brauchen. Sie haben das Papier nie verlassen.

Nach Angaben von Elon Musk entfallen etwa 70 Prozent der Startkosten einer Falcon 9 auf die erste Stufe. Das sind etwa 40 Millionen US-Dollar. Gleichzeitig führt der zusätzliche Treibstoffverbrauch bei der Rückkehr zum Startpunkt zu einem Verlust von etwa 30 Prozent der Nutzlast. Bei einer Landung im Meer ist es etwas weniger.

SpaceX spart schon bei der ersten Wiederverwertung

Die Kostenstruktur ist damit so günstig, dass schon eine einmalige Wiederverwendung zu deutlichen Einsparungen führen kann. Der Verlust einzelner Raketenstufen bei der Landung wird also nicht dazu führen, dass die Falcon 9 teurer als ohne Wiederverwendung wird. Umso komplizierter, schwerer und teurer die zusätzliche Technik für die Wiederverwendung ist, desto weniger kann man sich den Verlust der Hardware leisten.

Auch die längere Laufzeit der Triebwerke wird bei einem zweiten Flug keine Probleme bereiten. Das Triebwerk der zweiten Stufe muss mit über sechs Minuten ohnehin doppelt so lang laufen wie ein Triebwerk der ersten Stufe. Außerdem muss jedes Triebwerk von SpaceX vor dem Flug eine volle Mission auf dem Teststand am Boden bestehen. Daher weiß das Unternehmen, dass die Triebwerke ganz ohne Wartungsarbeiten noch wesentlich länger als bei einem einzigen Flug laufen können, inklusiver aller nötigen Neustarts.

Wie viel kostet die Wiederverwertung?

Damit sind allerdings noch nicht alle Fragen geklärt. Der Rücktransport und die Inspektion einer gelandeten Stufe kosten Zeit und Geld, genauso wie der Einsatz von Schiffen bei der Landung im Meer. Auch das genaue Verhalten der Struktur der Treibstofftanks beim Wiedereintritt ist noch nicht bekannt. Erste Untersuchungen der gelandeten Stufe haben gezeigt, dass dort keine Schäden aufgetreten sind.

Allerdings war die Raketenstufe bei der Trennung kürzlich nur etwa 5.000 km/h schnell, was sich das bei künftigen Landungen noch ändern kann. Die leichte Nutzlast ließ beim Flug im Dezember einen größeren Spielraum bei der Stufentrennung zu.

Die erste gelandete Raketenstufe wird eine weitere Mission auf dem Teststand absolvieren. Danach soll sie ausgestellt werden. SpaceX plant, 2016 etwa alle drei Wochen eine Rakete zu starten und die erste Stufe möglichst zu landen. Der nächste Flug, mit dem Forschungssatelliten Jason-3, ist für den 17. Januar angesetzt. Selbst wenn eine Reihe dieser Landungen fehlschlägt, wird die Zahl der gelandeten Raketenstufen sehr schnell sehr groß sein. Wenn nichts schiefläuft, soll der erste echte Flug einer Second-Hand-Rakete im kommenden Jahr stattfinden.  (fwp)


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