Die Crux mit der Wiederverwendbarkeit

Das Space Shuttle wird ausgemustert und kein Ersatz ist geplant. Eigentlich sollte es nach der Shuttle Pleite doch einfacher sein, schließlich weiß man wie es nicht geht. Doch so einfach ist es nicht. Ich will mal das Problem grundsätzlich erläutern.

Zuerst einmal die Lösung, die ohne eine zweite Stufe auskommt. Das ist äußert schwierig. Selbst wenn man den besten Treibstoff nimmt, denn man heute hat, Wasserstoff, mit einem spezifischen Impuls von 4400 (nicht der höchste heute erreichte, aber dies trägt der Tatsache Rechnung, das er beim Start bei einem Außendruck von 1 bar geringer ist, als später im Vakuum) so wird die Nutzlast klein. Eine Rakete mit 750 t Startmasse, etwa die Größe einer Ariane 5, bringt dann noch eine Gesamtmasse von 84 t in einen Orbit – das erscheint zuerst viel, doch das ist das Gesamtgewicht. Eine konventionelle Rakete dieser Größe wiegt leer etwa 66 t, woraus sich dann nur 18 t Nutzlast errechnen – weniger als eine Ariane 5, die 23 t transportiert.

Doch das ist eine konventionelle Rakete. Diese muss aber nun wieder verwendet werden. Man braucht also einen Hitzeschutzschild, weiteren Treibstoff für den Wiedereintritt und die Struktur muss so steif sein, dass sie dies übersteht (Die Tanks bei einer Ariane 5 sind z.B. nur etwa 1-2 mm dick und durch Druck von Innen versteift, sie würden nie einen Wiedereintritt überstehen). Die NASA hat solche Berechnungen für ein einstufiges Gefährt gemacht und ist zu dem Schluss geklommen, dass es einstufig nicht geht – nicht einmal ohne Nutzlast würde das Gefährt einen Orbit erreichen.

Also bleibt noch die zweistufige Lösung. von dieser gibt es nun wieder viele Varianten. Ich will zuerst einmal die Problematik zeigen wenn man es wirtschaftlich machen will.

Es gibt 3 Treibstoffarten mit Vor- und Nachteilen: Fester Treibstoff, flüssige Sauerstoffe die recht einfach handelbar sind wie UDMH, Stickstofftetroxid, Kerosin und flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff als Treibstoff.

In dieser Reihenfolge nimmt die Energieausbeute zu, ich brauche also immer weniger Treibstoff. In gleichem Maße steigt die technologische Komplexizität. Feste Treibstoffe kann ich in Stahlrohre gießen, mit einer einfachen hydraulisch bewegten Düse versehen, und ich habe die fertige Rakete. Flüssige Treibstoffe benötigen eine Turbopumpe, einen Gasgenerator, eine Turbine und die Brennkammer muss aktiv gekühlt werden. Dieser Aufwand steigt, wenn das Kühlungsmittel selbst leicht verdampft, wie es bei dem Wasserstoff der Fall ist und dieser zudem wegen er geringen Dichte von 0.07 enorme Volumina braucht – wodurch sehr große Tanks resultieren, die heute in Leichtbauweise hergestellt werden, aber keinen Wiedereintritt überleben würden.

Bei zwei Stufen stellt sich nun die Frage: Was berge ich – die erste, die zweite oder beide Stufen?

Logischerweise würde man die erste Stufe bergen. Zumindest als ersten Schritt. Sie ist die größere von beiden. Wenn ich nun feste Treibstoffe nehme, so spare ich eigentlich kaum etwas am Gefährt ein. Diese Raketen sind so preiswert, dass man bei der Ariane 5 auf eine Wiederverwendung verzichtet, weil sie zu teuer ist. Weiterhin liefern mir Feststofftriebwerke so wenig an Geschwindigkeit, dass die zweite Stufe dann sehr groß sein muss, was wiederum diese verteuert.

Wenn ich Wasserstoff als Treibstoff nehme kann ich entweder für die gleiche Geschwindigkeit mit wesentlich weniger Treibstoff auskommen oder bei gleicher Startmasse eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Im letzteren Fall könnte ich dann eine preiswertere Oberstufe (mit festen Treibstoffen) einsetzen. Das Problem sind die Volumina. Gegenüber Feststoff braucht Wasserstoff/Sauerstoff in etwa das 6-7 fache Volumen, immer noch mehr als das vierfache gegenüber Sauerstoff/Kerosin. Ich habe also eine enorm große erste Stufe. Bei einem ersten Shuttle Entwurf war die Unterstufe von der Größe einer Boeing 747 (von der Flügelspannweite), aber ungleich dicker. Das große Volumen bedeutet, dass man einen großen, schweren und teuren Hitzeschutzschild braucht und die leichtgewichtigen Tanks die man bisher einsetzte sind so auch nicht mehr möglich. Das alles macht das Leergewicht höher und ich habe ein enorm großes Gefährt.

Ein Königsweg könnte es sein, normale Treibstoffe wie Kerosin/Sauerstoff zu nehmen. Der spezifische Impuls ist war kleiner, doch die Tanks sind dicker und stabiler, trotzdem ist das Voll/Leermasse Verhältnis günstiger weil die Tanks viermal kleiner sind.

Die zweite Stufe ist nun noch problematischer. Auch hier habe ich die Wahl zwischen allen 3 Treibstoffarten. Feststoff scheint die beste Lösung zu sein, die Stufe wird am preiswertesten und muss nicht geborgen werden. Doch die Nutzlast ist auch am kleinsten. Nehmen wir an die Oberstufe muss noch 4000 m/s (die Hälfte der Orbitalgeschwindigkeit) aufbringen und die Unterstufe kann 30 t transportieren, dann bleiben von den 30 t noch übrig als Nutzlast, bei

• Verwendung von Feststoff: 5.0 t
• Verwendung von Sauerstoff/Kerosin: 6.9 t
• Verwendung von Sauerstoff/Wasserstoff: 10.1 t

De Fakto müsste also die Feststofflösung sehr viel preiswerter sein. Wasserstoff hat aber auch seine Nachteile. Selbst wenn ich die Stufe nicht berge, bleibt immer noch das Volumenproblem: Diesmal geht es um das begrenzte Volumen in der Nutzlastbucht der Unterstufe, von dem die Wasserstoff/Sauerstoff Stufe viel Platz weg nimmt. Zudem sind diese Stufen teuer.

Lösungen?

Nun, man hat es noch nicht verwirklicht, aber es spricht eigentlich nichts dagegen es zu versuchen: Einen Niederdruckantrieb mit Wasserstoff als Treibstoff. Bei kleinen Antrieben wie in Satelliten wird dies schon genutzt, jedoch mit anderen Treibstoffen. Anstatt einer komplexen Turbopumpe wird der Treibstoff mit Druck gefördert, die Tanks müssten also den Druck aushalten der dann in der Brennkammer herrscht. Derzeitige Konstruktionen wie bei der Ariane 5 sind nur auf einige Bar ausgelegt, doch selbst dies ergibt einen spezifischen Impuls von etwa 4100 m/s – weniger als die 4500 m/s die ein Hochdrucktriebwerk bringen kann, doch erheblich mehr als Kerosin/Sauerstoff. Wenn der Antrieb dann preiswert wird, dann muss man ihn nicht mehr bergen sondern kann ihn als Verlustgerät ausführen. Das wäre eine Überlegung die Kosten für die Oberstufe zu denken. Als Nebeneffekt nimmt die Nutzlast für höhere Geschwindigkeiten, z.B. eine geostationäre Übergangsbahn nicht so stark ab und man kann auf eine weitere, dritte Stufe verzichten.

Es spricht viel dafür dass die zweite Stufe ein Verlustgerät sein wird, wenn man das Thema Wiederverwendung nochmals angehen sollte. Folgendes spricht gegen eine Wiederverwendung der zweiten Stufe

• Bei der zweiten Stufe geht jedes Kilo, welches sie schwerer macht, voll von der Nutzlast ab
• Die Belastungen sind höher – höherer Geschwindigkeiten beim Wiedereintritt, mehr Energie die auf den Hitzeschutzschild einwirkt
• Sie ist viel kleiner als die erste Stufe – das Einsparpotential ist geringer
• Wenn ich höhere Orbits erreichen will (geostationäre Orbits), dann kann ich sie sowieso nicht mehr bergen, oder ich brauche eine weitere, dritte Stufe.

Interessant für die erste Stufe (vielleicht auch gangbar für die zweite) ist eine Überlegung: Warum muss man die ganze Stufe bergen? Der größte Teil besteht aus Tanks, das kostenintensive sind jedoch die Triebwerke, die ein relativ kleines Volumen ausmachen. Warum also trennt man diese nicht sauber ab und birgt nur die Triebwerke, oder (das würde wahrscheinlich Probleme die bei einer Absprengung auftreten mindern) den Nutzlastraum mit Triebwerken, aber nicht den Tank.

Merken sie was? Wir haben nun ein zweistufiges Gefährt, wir bergen nur den Nutzlastraum mit Triebwerken und nicht den Tank – Wir haben das Space Shuttle Konzept vor uns, nur eben unbemannt und vielleicht mit der Variation, dass man andere Treibstoffe nimmt.

Das Grundkonzept scheint also nicht so falsch zu sein (schließlich haben die Russen das gleiche gemacht), nur die Umsetzung als bemanntes Gefährt mit den Folgen die ein Fehlstart haben kann, und die dadurch anfallenden Kosten, waren wohl das, was das Shuttle Konzept nicht wirtschaftlich machte. Doch wie sagte schon ein NASA Manager: "You don’t get Bucks without Bucks Rogers", will heißen, man bekommt nicht Milliarden für ein neues Raumfahrzeug, wenn es nicht bemannt ist. Und das hat schlussendlich die Space Shuttles scheitern lassen.