Möglichkeiten für den ISS-Ausbau und Weiterbetrieb

Die NASA hat vom weißen Haus ein Okay bekommen die ISS weiter zu betreiben bis 2024. (Wichtig weil die Station rund ein Viertel des NASA Haushaltes ausmacht). Ich will an dieser Stelle mal das diskutieren.

Gehen wir zuerst mal vom Zustand der Station aus. Der sieht nach NASA Angaben sehr gut aus. Bisher sieht man bei den Fernsehaufnahmen auch keine mit Algen zugewachsenen Fenster wie bei Mir. Man hat aber auch Lehren aus dieser Station gezogen und schon im Vorfeld die Labore und Module so konzipiert, dass dort keine Fallen gibt wo sich Kondensationswasser sammeln kann. Ob ein Modul von einem Stück Weltraumschrott, Mikrometeoriten getroffen wird kann man nicht vorhersehen. Natürlich veraltet alles, doch kann man kleinere Teile mit jedem Transporter transportieren und große Teile mit einem HTV, bedingt auch mit der Cygnus. So kann man nach und nach defekte oder veraltete Systeme austauschen.

Etas anders sieht es bei der Stromversorgung aus. Diese ist nicht einfach so austauschbar. Allerdings ist sie recht großzügig ausgelegt und wenn die Zellen innerhalb der nun zweiten Verlängerung rund 10% an Leistung verlieren so ist das nicht kritisch. Man wird die Batterien austauschen müssen, die 14-mal pro Tag aufgeladen und entladen werden. Aber diese sind sowieso so ausgelegt, dass man sie austauscht als ORU (Orbital Replacement Unit). Regulär sollten sie sowieso alle 5 Jahre ersetzt werden.

Etwas schwieriger ist es mit dem Kühlkörper. An den Solarpanels ist im Schatten derer ein großer Kühlkörper angebracht der von Ammoniak durchströmt wird. Das Gas verdampft durch die Wärme in der Station und kondensiert in der Kälte des Weltraums aus und gibt dabei Wärme ab. eine Kühlung ist notwendig, weil die Station zum einen Sonnenwärme aufnimmt (sie bekommt rund 30% mehr als die Erdoberfläche am Äquator) und der verbrauchte Strom letztendlich auch in Wärme umgewandelt wird. Trifft ein Mikrometeorit die Solarzellen, so ist das nicht so schlimm. An der Einschlagsstelle fallen Zellen aus, doch weil die Paneele aus über 100.000 Zellen bestehen hat das nur geringe Auswirkungen. Beim Kühler verliert die Station dagegen Kühlmittel. Bisher war die Strategie sehr einfach. Bei kleinen Lecks nahm man die Verluste in Kauf und füllte Kühlmittel nach. Bei einem großen Leck das im Mai letzten Jahres auftauchte war es nur eine Pumpe die ausgetauscht werden konnte, nicht der Kühlkörper selbst. Wenn einer ausfällt gibt es nur einen zweiten als Ersatz was dann über längere Zeit kritisch wird. Diese Körper sind wegen ihrer Größe nicht so einfach zu ersetzen.

So gesehen kann man die Station noch lange betreiben. Doch sollte man es dabei belassen? Meine Ansicht nach nein. Die heutige Station ist ja schon kleiner als geplant. Als der Aufbauplan nach dem Verlust der Columbia geändert (järte sich gestern zum 11-ten mal) wurden fielen drei Dinge weg:

• Das US-Habitation Module: das einzige Modul das wirklich als Besatzungsquartier vorgesehen war
• Das Zentrifugenmodul für Experimente mit Tieren und Pflanzen, aber auch Werkstoffen mit einstellbarer Gravitation zwischen 0 und 2 g.
• Das Rettungsvehikel CRV
• Ein Besatzungsmitglied (reguläre Besatzung 6 anstatt 7 Personen)

Wenn die neuen US-Zubringer kommen, so ab 2018 kann jeder 6 (CST-100) bis 7 (Dragon, Dream Chaser) Personen transportieren. Selbst wenn sie eine der Sojus ersetzen (sicher nicht beide, da Russland seine Astronauten sicher mit der Sojus startet) steigt die Besatzungsstärke auf 9 bis 10. Das sind 3-4 Personen mehr als heute. Es gibt zwar nominell genügend Platz (916 m³) aber wegen der kleinen Module mit der Bauweise von Racks welche die ganzen Wände belegen, ist das Wohnvolumen deutlich kleiner (388 m³) und nicht viel größer als bei Skylab für 3 Astronauten.

Was fehlt ist ein eigener abgeschlossener Wohnbereich, der ruhig ist mit Aufenthaltsraum. Das sollte das Habitatmodul sein mit Crewquartieren und einer Messe und einer kleinen Küche. Derzeit haben die Besatzungsmitglieder Schlafkojen die in einem Standardrack untergebracht sind, in drei Modulen: Swesda und den beiden Verbindungsknoten. Also bequem ist das nicht. Bei mehr Besatzungsmitgliedern wäre es daher sinnvoll das Habitatmodul fertigzustellen und zu starten.

Ob man auch das Zentrifugenmodul starten sollte? Denkbar, aber nicht nötig. Man hat die Zeit die für Laborexperimente zur Verfügung steht weit überschätzt. Jedes Labor hat genug Racks und Platz um mindestens drei Personen das gleichzeitige Arbeiten zu ermöglichen. Doch die Besatzung verbringt heute schon nur einen Bruchteil ihrer Zeit in den Labors. Selbst wenn sie Vollzeit genutzt würden, gäbe es genügend Arbeit für 9 Astronauten. Daher sehe ich auch nicht den Bedarf weiter auszubauen und das ist ja auch nicht geplant. Wenn, dann wären aber neue russische Module die sinnvollste Erweiterung. Zum einen sind sie erheblich preiswerter als die US-Module. Zum anderen haben sie einen eigenen Antrieb. Ein Modul nach westlichen Standard (wozu auch die von ESA und JAXA gehören) muss aktiv in den Nahbereich der Station gebracht werden. Dazu braucht man dann ein Servicemodul (vom ATV oder HTV, die Cygnus scheidet aus, weil sie nicht auf so hohe Nutzlasten ausgelegt ist) und dessen 4-5,5 t Gewicht gehen von der Startmasse ab, dazu kommt noch Treibstoff. Da ist man dann bei maximal 14 t für ein Modul. Das reicht dann gerade noch für die Leermasse ohne jede Installation. Russland hatte ja mal vor, sich mit mehr Modulen zu beteiligen. Drei weitere waren vorgesehen, darunter ein Dockingmodul das es erlaubt hätte die Station um fünf Module zu erweitern oder alternativ bis zu 5 Sojus/Progress anzukoppeln. Es ist aber angesichts der Erfahrungen die man bei der ISS-Zusammenarbeit mit Russland gemacht hat nicht damit zu rechnen, dass die NASA diese finanziert und Russland bringt ja nicht mal Nauka auf den Weg, das ursprünglich 2007 gestartet werden sollte. Inzwischen redet man von 2015.

Das leitet über zu der internationalen Zusammenarbeit. Die NASA will die Station. Doch wie sieht es bei den Partnern aus? Von der JAXA weiß man wenig. Wenn die Raumfahrtagentur wie die ESA eine limitierte Anzahl an HTV in Auftrag gegeben hat dann dürfte sie die gleichen Probleme wie die ESA haben – Ab 2016 fehlen dann Transporter für die Kompensationszahlungen. Die ESA könnte ja noch zwei ATV bauen (einige Elektronikbauteile werden nicht mehr gebaut, aber man hat noch Reserven für zwei ATV) ab dann müsste sie entweder ein ATV 2.0 bauen oder eine andere Lösung anstreben. Derzeit will man das letztere, nämlich zwei Servicemodule für die Orion, obwohl das teurer wird, aber weil offensichtlich mehr zählt dass man was neues entwickelt, als dass man Geld spart ist das der favorisierte Weg. Ein ganz anderes Problem sind die nationalen Interessen. Von den drei Hauptbeteiligten der ESA will eigentlich nur Deutschland eine Verlängerung des ISS Betriebs und träumt inzwischen schon vom Start des Dream Chaser mit europäischer Beteiligung auf einer Ariane 5. Frankreich und Italien haben schon angekündigt ihre Budgets zu reduzieren und über 2016 hinaus ist nichts beschlossen. Frankreich wäre bereit wenn Deutschland bei der Ariane 6 einsteigt bis 2020 sich zu beteiligen, doch das sind immer noch 4 Jahre zu wenig wenn es tatsächlich zum Beschluss des Betriebs bis 2024 kommt. Dann fehlt natürlich auch eine Kompensation für diese 4 zusätzlichen Jahre. So spricht einiges dafür das die ESA spätestens ab 2020 aussteigt.

Russland dürfte schon aus Prestigegründen sich beteiligen, aber ob sie ihr Engagement ausbauen dürfte zu bezweifeln sein. Eher kann man davon ausgehen, dass sie die nun freiwerdenden Sojus Sitze für Touristen nutzen, etwas was die NASA gar nicht gern sieht. Dabei wird man mehr brauchen – mehr Versorgungsgüter wenn die Besatzungstärke um 50-60% ansteigt. Vor allem wenn ab 2017 die ATV wegfallen und es so mindestens drei zusätzliche US-Flüge geben wird. Mit drei weiteren Astronauten ist man mit 12 t mehr Material, das entspricht sechs Cygnus/Dragon Starts oder 5 Progress pro Jahr dabei. Das dürfte Russlands Kapazitäten überschreiten und auf US-Seite wird fast jeden Monat ein Transporter anlegen müssen. Sollte auch das HTV wegfallen, dann reden wir von insgesamt 18 Transportern im Jahr, da nur ATV und HTV große Nutzlasten haben, alle anderen Systemen transportieren maximal 2,5 t zur Station. Das wird dann sehr aufwendig in der Logistik und auch im Betrieb. Es wird vor allem teuer werden, denn beide Juniorpartner ESA und JAXA erbringen relativ viel Transportleistung, gemessen daran dass sie auch für den Betrieb zahlen könnten. So die ESA 5 ATV für 8 Jahre Betrieb, während bei einer Bezahlung der kosten nur 150 Millionen Euro pro Jahr zu bezahlen wären (die 5 ATV kosten ohne Entwicklungskosten dagegen 2250 Millionen Euro, also so viel wie 15 Jahre Betrieb).

Derzeit würde der Transport von 37 t Fracht pro Jahr alleine 3,2 Milliarden Dollar kosten. (CCDEV: 3,5 Milliarden für 40 t Fracht).Dann kämen noch einige Flüge der Crewvehikel hinzu. Dann ist man leicht bei 4 Milliarden Dollar pro Jahr. Dagegen liegt heute das komplette ISS Budget bei 3 Milliarden Dollar und darin sind weder die CCDEV noch die CRS Kosten mit enthalten (aber die Zahlungen an Russland). Ob die NASA das Geld hat? Das Budget bleibt ja über Jahre festgeschrieben. Die SLS und MPCV werden auch noch entwickelt. Mal sehen was draus wird.