Astronomische Kosten, hoher Verschleiß, doch Elon Musk will weiter: Mit der Sternstunde der Raumfahrttechnik, die er uns mit dem jüngsten SpaceX-Start beschert hat, bringt Musk die Menschheit dem Mars ein Stück näher. Der zweite Teil der TE-Serie über die Herausforderungen der Raumfahrttechnik und Elon Musks SpaceX.
picture alliance / ASSOCIATED PRESS | Eric Gay
Raumfahrt war schon immer ein extrem teures Vergnügen. Kosten senken steht deshalb ganz oben auf der ToDo-Liste von Elon Musk. Doch an jenen einstigen Space Shuttles des NASA läßt sich ablesen, wie schwer es sein kann, die Kosten durch Wiederverwendung zu senken. Sie wurden in den 1970er Jahren entwickelt und sollten wiederverwendbare Raumfahrtgeräte sein, die den Zugang zum Weltraum für eine Vielzahl von unterschiedlichen Missionen günstiger und effizienter machen sollte.
So sollten damit Satelliten in den Orbit gebracht und wieder zurückgeholt oder auch gewartet werden können. Ein berühmtes Beispiel war die Wartungsmission zum Hubble-Weltraumteleskop, bei der ein neuer Spiegel eingesetzt werden musste. In der frühen Planungsphase gab es übrigens auch Überlegungen, das Shuttle für militärische Zwecke zu nutzen, einschließlich der Platzierung und Wartung von militärischen Satelliten. Die wiederverwendbaren SpaceShuttles dienten dann später als Omnibus-Verkehr zur Internationalen Raumstation ISS. Mit den Space-Shuttles wurden die einzelnen Module der ISS in den Weltraum gebracht und die Versorgung der Station sichergestellt.
Allerdings zeigten sich hier die Grenzen der Wiederverwendbarkeit: Die Starts waren astronomisch teuer. Die Erwartungen, kostengünstige Raumflüge absolvieren zu können, wurden mit den Space Shuttles nie erfüllt. Angegeben werden Kosten von durchschnittlich 1,2 Milliarden Dollar pro Start eines Space Shuttles.
Denn nach jedem Flug musste ein Shuttle nahezu komplett bis zur letzten Schraube auseinandergenommen werden – extrem zeitaufwendig und damit teuer. Der Wartungsaufwand war eines der Hauptprobleme des Programms, das zu den extrem hohen Betriebskosten führte. Viele der Hauptkomponenten wie die Hitzeschilde und die Raketentriebwerke mussten nach jedem Flug umfangreich überprüft, repariert und teilweise vollständig ausgetauscht werden. Auch die Triebwerke wurden zerlegt, inspiziert und wieder zusammengesetzt.
Der Hitzeschild des Shuttles bestand aus Tausenden von Keramikfliesen, die das Shuttle vor den extremen Temperaturen bis zu 1500 Grad beim Wiedereintritt in die Atmosphäre schützten. Nach jedem Flug mussten diese Fliesen einzeln überprüft, repariert oder ersetzt werden, denn selbst kleine Schäden konnten katastrophale Folgen haben. Dies demonstrierte deutlich der tödliche Flug der Columbia im Februar 2003, bei dem die Hitzeschutzkacheln beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre versagten und das Raumschiff zerbrach. Diese Kachelkontrolle war sehr arbeitsintensiv und trug erheblich zu den exorbitant hohen Wartungskosten bei. Auch die Bergung der wiederverwendbaren Booster war aufwendig, da sie nach der Wasserung im Atlantik geborgen und gewartet werden mussten. Insgesamt dauerten die Vorbereitungen für den nächsten Flug eines Shuttles oft Monate.
Ein zweischneidiges Schwert ist auch das Mitführen von Treibstoff für eine Landung bei einer Rückkehr, insbesondere bei einem so großen Raumfahrzeug wie dem Starship. Diese zusätzliche Masse hat erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtmission und kann die Effizienz verringern. Denn Raketenoperationen sind extrem empfindlich bezogen auf die Masse. Jedes zusätzliche Kilogramm, das an Bord in Form von Treibstoff, Fracht oder Ausrüstung mitgeführt wird, erfordert deutlich mehr Treibstoff für den Start. Das wiederum führt zu einem sogenannten Schneeballeffekt. Wenn das Starship Treibstoff für den Wiedereintritt und die Landung mitführen muss, erhöht dies das Startgewicht erheblich und reduziert die Menge an Nutzlast, die das Starship in den Orbit oder zu weiter entfernten Zielen wie dem Mars transportieren kann.
Denn Raketen funktionieren nach dem Prinzip eines „Schub-zu-Gewichts-Verhältnisses“. Je mehr Treibstoff mitgeführt wird, desto mehr Schub wird benötigt, um diesen zusätzlichen Treibstoff in den Orbit zu bringen.
Während der Landung wird Treibstoff für einen kontrollierten Abstieg und die Bremszündung benötigt, um das Starship sicher auf die Erde oder einen anderen Himmelskörper zu bringen. Im Fall von SpaceX wird dies als »propulsives Landen« bezeichnet. Die Rakete nutzt jetzt ihre Triebwerke, um die Geschwindigkeit zu verringern und sanft zu landen. Dies erfordert eine signifikante Menge an Treibstoff, der während des gesamten Flugs mitgeführt werden muss. Deshalb hatten die Konstrukteure der Space Shuttles die Technik des Raumgleiters gewählt, der die letzte Phase in der Erdatmosphäre wie ein Segelflugzeug bewältigte.
Bei SpaceX wollen die Ingenieure eine orbitale Betankung einführen. Die Idee dabei ist, dass ein Starship für eine Langstreckenmission ins All nach dem Erreichen einer Erdumlaufbahn von einem speziellen Tanker-Starship betankt wird. So muss das Starship bei seinem Start von der Erde nicht den gesamten Treibstoff für die Landung oder Langstreckenmissionen mitführen, kann mit minimalem Treibstoff für den Start ausgerüstet werden und den zusätzlichen Treibstoff erst im Orbit aufladen. Damit reduziert sich die Startmasse von der Erde erheblich und erhöht die Nutzlastkapazität. Eine fliegende Tankstelle und eine Betankung im Erdorbit ist jedoch technologisches Neuland. Sie würde präzise Manöver im Weltraum erfordern, die bisher noch nicht ausgeführt wurden.
Für Missionen zu weiter entfernten Zielen wie dem Mars wird die Frage des Treibstoffbedarfes besonders problematisch. Da das Starship auch Treibstoff für die Landung auf dem Mars und die Rückkehr zur Erde benötigt, muss ein Großteil der Missionsplanung darauf abzielen, die Treibstoffnutzung zu optimieren. Bei SpaceX plant man die Herstellung von Methan und Sauerstoff für die Raptor-Triebwerke direkt auf dem Mars durch In-Situ Resource Utilization – eine Art Treibstofffabrik auf dem Mars also, die den Treibstoff für den Rückflug vor Ort produziert. Der Mars verfügt über eine Atmosphäre, die allerdings wesentlich »dünner« als auf der Erde ist.
Gleichwohl sind die Versuche von SpaceX technisch großartig. Und Elon Musk und seine Truppe haben am vergangenen Sonntag das nächste Kapitel in der Geschichte der Raumfahrt geschrieben. Deutschland dagegen, das Land, in dem Raketen und vor allem ihre Steuerung entwickelt wurden, hat Energiewende, einstürzende Brücken und Lastenräder.
Daher noch eines: Versuchen Sie niemals, energiesparwütigen Grünen mit dem gefestigten Glauben an das Gute in mittelalterlichen Windmühlen den gigantischen Energiebedarf eines Raketenstarts näherzubringen.
Raumfahrt basiert darauf, eine möglichst enorme Energiemenge in einer möglichst kurzen Zeit in Geschwindigkeit umzusetzen. Das Startgewicht eines Starship-Systems liegt bei 5000 Tonnen! Das sind ungefähr 50 schwere Eisenbahnlokomotiven. Die müssen entgegen der Erdanziehungskraft auf eine Orbitalgeschwindigkeit von 7800 Meter pro Sekunde gebracht werden; dazu ist ein gigantischer Energiebedarf von rund 456 Terajoule oder 126.768.000 kWh notwendig, um anfangs den Luftwiderstand zu überwinden und dann vor allem gegen die Schwerkraft anzukämpfen.
Das entspricht einem Jahresenergiebedarf für rund 36.000 Haushalte, der während des Starts innerhalb weniger Minuten verpulvert wird. Mit der Geschwindigkeit, die mit dieser Energiemenge erreicht wird, kann das Starship allerdings noch nicht einmal in den Weltraum fliegen. Doch Elon Musk will damit zum Mond und weiter zum Mars. Dazu muss sein Raumgerät auf die Fluchtgeschwindigkeit von 11.200 Meter pro Sekunde beschleunigt werden oder 11,2 km/sek. Oder rund 40.000 Kilometer pro Stunde. Dazu ist die extrem hohe Energiemenge in einer Größenordnung von etwa 941 Terajoule notwendig, also fast das Doppelte wie für einen niedrigen Erdorbit.
Ein Kernkraftwerk mit einer Leistung von 1 Gigawatt liefert diese Energie in knapp elf Tagen. Oder praktischer: Diese Energie ist in 27,5 Millionen Liter Benzin enthalten. Oder eine Boeing 747 könnte mit dieser Energiemenge 184 Langstreckenflüge von 10 Stunden absolvieren. Die Sonne liefert sie auf die Erde übrigens in etwa 5,4 Sekunden. Spätestens jetzt ist jeder mittelmäßig begabte Grüne in tiefe Ohnmacht gefallen.
Hier geht es zum ersten Teil des Artikels über die bahnbrechende visionäre Kraft, die Elon Musik mit SpaceX beweist:
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