Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/raumfahrt-europaeer-experimentieren-mit-wiederverwendbaren-raketen-1802-132246.html    Veröffentlicht: 02.02.2018 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/132246

Raumfahrt

Europäer experimentieren mit wiederverwendbaren Raketen

Fliegt die Ariane in Zukunft mehr als nur einmal? Nachdem das US-Raumfahrtunternehmen SpaceX die erste Stufe der Rakete Falcon 9 sicher landet und wiederverwendet, beschäftigen sich auch die Europäer mit Mehrwegraketen. In zwei Jahren soll erstmals ein Demonstrator starten.

Zu teuer, zu unsicher, zu aufwendig: Vor einigen Jahren haben Raumfahrtmanager die Idee, Raketen mehr als einmal zu verwenden, noch belächelt. Die US-Raumfahrtbehörde Nasa hatte gerade das Spaceshuttle-Programm beendet und angekündigt, wieder zu alten Konzepten zurückzukehren. Doch neue, private Akteure zeigten, dass es möglich ist, eine Rakete zu landen und erneut fliegen zu lassen.



Nach diversen Fehlschlägen gelingt es dem US-Raumfahrtunternehmen Space Exploration Technologies (SpaceX) inzwischen sicher, die erste Stufe der Trägerrakete Falcon 9 zu landen. Im vergangenen Jahr flogen erstmals auch wiederverwendete erste Stufen, im Dezember sogar eine gebrauchte Rakete mit einer gebrauchten Dragon-Kapsel. Das Konzept macht Schule: Seit einiger Zeit beschäftigen sich auch die Europäer damit.

Europa forscht schon länger an wiederverwendbaren Raketen

"Es ist nicht neu, dass man in Europa wiederverwendbare Trägersyteme betrachtet", sagte Etienne Dumont vom Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen Golem.de. Seit gut 20 Jahren werde daran gearbeitet - allerdings fast nur auf dem Papier.

Für ein solches System werden neue Technologien benötigt, und die kosten Geld. Bislang war der Bedarf dafür nicht da, insofern gab es auch nicht die Bereitschaft, die entsprechenden Mittel freizugeben. Das änderte sich, seit SpaceX die Raumfahrtbranche in Zugzwang brachte.

Callisto soll 2020 fliegen

Callisto heißt das Projekt, das 2016 von der französischen Raumfahrtagentur Centre national d'études spatiales (Cnes) initiiert wurde und jetzt in Kooperation mit dem DLR bearbeitet wird. Ziel ist es, bis Ende 2020 eine Rakete zu bauen, mit der die Wiederverwendbarkeit getestet werden soll.

Die Callisto werde "ein kleineres Fahrzeug", sagt Dumont: Sie wird 13 Meter lang sein, einen Durchmesser von einem Meter haben und nur aus einer Stufe bestehen. Es ist geplant, die Rakete drei bis fünf Mal starten zu lassen. Sie soll zeigen, dass auch die Europäer in der Lage sind, eine Rakete wieder zum Boden zurückzubringen. Die Rakete soll verschiedene Manöver durchführen und dabei viele Daten sammeln. Anhand derer soll das Konzept dann beurteilt werden. Dabei geht es um technische, aber auch um wirtschaftliche Fragen; etwa darum, zu analysieren, welche Bauteile in Mitleidenschaft gezogen und vor einem neuen Start ausgetauscht werden müssen.

Die Rakete werde aber keine europäische Version der Grasshopper, betont Dumont.

Neue Triebwerke

Die Grasshopper war die experimentelle Rakete, mit der SpaceX anfing, Raketenlandungen zu testen. Die Rakete stieg senkrecht hoch, blieb kurz in der Luft stehen und sank dann wieder senkrecht zur Erde zurück, abgebremst von einem Triebwerk.

Die Callisto soll bei mindestens zwei Flügen deutlich komplexere Manöver fliegen: Sie soll starten, dann ihre Lage bis fast in die Horizontale verändern und bis zu dem Punkt aufsteigen, an dem normalerweise die Oberstufe abgetrennt wird. Danach wird die Rakete drehen, zum Startplatz zurückkommen und landen.

Der Treibstoff schwappt

Durch die Änderung der Ausrichtung sei dies schwieriger als ein gerader Auf- und Abstieg, sagt Dumont. "In den Tanks ist Treibstoff für die Rückkehr, und der schwappt. Das heißt, es gibt Bewegungen des Treibstoffs im Tank." Trotz dieser Bewegungen müsse die Rakete stabil fliegen und dann auf einer sehr kleinen Fläche landen. Ein anspruchsvolles Vorhaben, das die Europäer planen.

Dafür benötigt die Rakete einen anderen Antrieb als ihn die europäische Ariane-Trägerrakete heute hat. "Man braucht relativ viel Schub beim Abheben, deswegen braucht man entweder wenige große oder viele kleine Motoren", sagt Holger Burkhardt, der beim DLR im Raumfahrtmanagement in der Trägerabteilung arbeitet. Bei der Rückkehr ist die Rakete viel leichter: Der Treibstoff ist weitgehend verbraucht, die Oberstufe ist abgetrennt. Zum Abbremsen und vor allem zum Landen wird also deutlich weniger Schub benötigt. "Das kann man dann mit einem großen Motor gar nicht machen." Die Falcon 9 feuert zum Boost-Back zurück zum Startplatz sowie zum Bremsen drei, zum Landen nur eines ihrer neun Triebwerke.

3D-Druck-Verfahren werden untersucht

"Das ist die Idee, die hinter Prometheus steckt", sagt Burkhardt: Die europäische Raumfahrtagentur Esa lässt einen kleineren Motor entwickeln, der dafür geeignet wäre. Dahinter steckt auch die Überlegung, dass durch die Erhöhung der Produktionskadenz der einzelne Motor günstiger wird. Dazu sollen auch neue Fertigungsmethoden wie 3D-Druck eingesetzt werden.

Es werde zudem erwogen, statt Sauerstoff und Wasserstoff künftig Sauerstoff und Methan als Treibstoffkombination zu nutzen. Methan und Sauerstoff müssen auf etwa 90 Kelvin gekühlt werden, Wasserstoff hingegen auf 20 Kelvin. "Damit werden viele Dinge noch mal deutlich komplexer, und das Thema Wasserstoffversprödung kommt auch noch hinzu", erläutert Burkhardt. Ein mit Lox (von: Liquid Oxygen)/Methan betriebenes Triebwerk sei vom Aufbau her einfacher und damit möglicherweise auch günstiger.

Wie lässt sich das auf die Ariane übertragen?

Bei Prometheus geht es allerdings nicht um Callisto. Die Ariane - die aktuelle Ariane 5 und die kommende Ariane 6 - ist immer mit im Fokus: "Hinter der ganzen Thematik: Wie kann ich Triebwerke günstiger bauen? steckt der Gedanke, die Erkenntnisse, wie man zu günstigeren Bauweisen findet, mehr oder weniger direkt auf Ariane in einer zukünftigen Evolution zu übertragen", sagt Burkhardt.

Der Zeitplan sei "sportlich ambitioniert", die Entwicklung schneller als bei vergleichbaren früheren Projekten. Gestartet ist Prometheus 2016, ebenfalls auf Initiative der Cnes. Im Dezember 2016 machte die Esa-Ministerkonferenz daraus ein europäisches Projekt. 2020 oder 2021 soll ein funktionsfähiger Demonstrator auf dem Prüfstand in Lampoldshausen in Baden-Württemberg getestet werden.

Kommt also die wiederverwendbare europäische Trägerrakete?

Und wozu das alles?

Ein Interesse der Esa ist es, den eigenen Bedarf zu decken. "Das originäre Ziel ist ja nicht, dass wir den weltweiten kommerziellen Markt bei Startdienstleistungen dominieren, sondern sicherzustellen, dass wir unseren eigenen institutionellen Bedarf abdecken können", sagt Burkhardt. "Sprich, dass wir autonom entscheiden können: Wir wollen ein Galileo-System starten, mit dem Copernicus-System Erdbeobachtung machen, zivile und militärische Telekommunikation sichern. Es gibt gewisse institutionelle Bedarfe, die über Weltraumsatelliten und Weltraumanwendungen gedeckt werden, und es ist Konsens in Europa, dafür eine eigene Startkapazität zu haben, um uns da nicht von Dritten abhängig zu machen."

Allerdings ist es ökonomisch sinnvoll, sich nicht ausschließlich auf den institutionellen Bedarf zu beschränken, sondern auch den kommerziellen Markt zu bedienen. Dafür könnte eine wiederverwendbare Rakete sinnvoll sein. "Wir wissen heute noch nicht, ob die geplanten Konstellationen von Satelliten kommen werden oder nicht. Deswegen ist es wichtig, etwas zu untersuchen, das für die Zukunft flexibel ist, damit man sich der Evolution des Marktes anpassen kann", sagt Dumont. Die europäische Trägerrakete Ariane 5 sei zwar eine gute und zuverlässige Rakete. Aber sie sei im Vergleich zur Falcon 9 von SpaceX teurer.

Eine wiederverwendbare Rakete ist flexibel

Eine wiederverwendbare Rakete könnte diese Flexibilität bieten: Kleinere Nutzlasten etwa könnten mit einer Rakete geflogen werden, deren erste Stufe später zur Erde zurückkommt und anschließend für einen weiteren Flug aufbereitet wird. Von einer Rakete, die eine größere Nutzlast transportiert, oder einer, die in einen höheren Orbit geschossen wird, stürzt die erste Stufe anschließend ins Meer - so wie SpaceX das auch praktiziert.

Es ist aber auch möglich, die Erststufe mit einer großen Geschwindigkeit zurückkehren zu lassen. Dann ist die Beanspruchung größer und anschließend der Aufwand der Vorbereitung für den nächsten Start entsprechend höher. Eine Stufe, die schon mehrfach geflogen ist, könnte am Ende für eine Einwegmission eingesetzt werden. "Das Schöne an einem wiederverwendbaren System ist, dass man alle Parameter in sehr viele Richtungen drehen kann", sagt Dumont.

Ziel ist es, das zu testen. "Technisch kann man viel machen. Die Frage ist aber auch, was wirtschaftlich sinnvoll ist. Man muss ein gutes Verhältnis zwischen Investition und dem, was man davon bekommt, erreichen", resümiert Dumont. "Es kann auch sein, dass man am Ende entdeckt, dass für unseren europäischen Markt so eine Lösung nicht die beste ist. Das kann sein. Aber ohne einen Demonstrator kann man das nicht herausfinden."  (wp)


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