Der ideale ISS-Transporter

Die ISs muss mit Fracht versorgt werden. Sinnvollerweise minimiert man dafür die Kosten. Doch derzeit funktioniert dies bei allen Transportern sehr ineffektiv. Zuerst einmal haben wir zwei Typen von transportieren: Einmal die Transporter die alles können, also Treibstoff transportieren, Wasser und Gas. Daneben auch Fracht in einem Druckmodul. Die zweite Gruppe kann nur Fracht in einem Druckmodul und eventuell Ersatzteile die man außen anbringt. In der Ankopplungsweise gibt es auch Unterschiede. Die erste Art koppelt am russischen Teil an die zweite an den US-Teil. Das hängt mit der Fracht zusammen: Nur die russischen Kopplungsadapter erlauben den Transfer von Wasser und Treibstoff in Vorratstanks des Sarja Moduls. Nur bei der Ankopplung im russischen Teil kann man die Bahnhöhe der ISs verändern ohne sie in Rotation zu versetzen.

Was aber beide Transporter vereint, ist die Tatsache dass sie alle nach der Mission beim Wiedereintritt verglühen, damit ein Raumschiff, das allen Standards eines Satelliten gebaut wurde, also mit nicht beträchtlichen Kapitalmitteln. Ich halte das für Verschwendung und möchte hier eine Alternative skizzieren.  Zuerst mal eine Analyse. Es macht Sinn die Funktionen zu trennen, also einen Transporter nur für den Transport von Treibstoff und Wasser und einen für die Druckfracht zu bauen. Gase werden bei beiden stückweise in die Atmosphäre entlassen und können auch im Druckbehälter transportiert werden, prinzipiell auch Wasser, das dann eben in Kanistern umgefüllt werden muss.

Ein Transporter für Flüssigkeiten hat einen entscheiden Vorteil: Der Nutzlastanteil ist sehr viel höher. Beim ATV wiegt das komplette Antriebssystem mit Triebwerken, Leitungen, Druckgastanks und Flüssigkeitstanks 1.500 kg bei maximal 6.760 kg Inhalt, also 1/5,5 der Gesamtmasse. Bei den MPLM als einfache Druckbehälter wiegt dieser 4.800 kg bei maximal .9500 kg Nutzlast, also 1/3 der Gesamtmasse. Man kann also doppelt so viele Flüssigkeiten transportieren wie Fracht im Druckbehälter. Das Verhältnis wird bei mehr Flüssigkeiten sogar noch günstiger da das Gewicht der Tanks nicht so schnell wie ihr Volumen ansteigt.

Sinnvollerweise baut man also einen reinen Flüssigkeitstransporter, der am russischen Teil andockt. für die folgenden Betrachtungen nehme ich die Daten des ATV als Basis, da mir durch meine Buch Recherche von dem am meisten Daten vorliegen. Würde man das Servicemodul nur mit dem Kopplungsadapter ausrüsten und verlängern um mehr Treibstoff und Wasser aufzunehmen. Basierend auf den Daten des ATV würde dieses dann trocken 7.014 kg wiegen und 13.246 kg Treibstoff und Wasser zuladen. Davon sind 2.060 kg für die Mission nötig. Bei mindestens 3.600 kg Treibstoffbedarf pro Jahr und (geschätzten) 2 t Wasser pro Jahr braucht man einen Transporter alle zwei Jahre. Bisher ist ein ATV maximal 180 Tage an die ISS angekoppelt. Damit sinken die Kosten für diesen Posten drastisch. nämlich auf knapp die Hälfte.

Das zweite ist der reine Frachttransport. Hier ist mein Ansatz der den kostengünstigeren  Druckbehälter von dem kostenintensiven Servicemodul zu trennen. Jedes Servicemodul sollte mehrere Missionen durchführen können, verloren geht nur der Druckbehälter. Eine Mission könnte so aussehen:

Eine Rakete startet nur das Servicemodul, das auf dem obigen Flüssigkeitstransporter aufbaut. Es hat Treibstoffvorräte für mehrere Missionen, führt kein Wasser mit und kelne Betankungseinrichtungen.

Ein zweiter Start startet ein Druckmodul mit zwei Kopplungsadaptern. Einem für das US-Segment und einem für den russischen Teil. An diesem koppelt an den russischen Kopplungsadapter dann das Servicemoduls an. Um den Treibstoffbedarf zu verringern sollte dieser in eine möglichst hohe Bahn transportiert werden. Dann bringt das Servicemodul den Druckbehälter ans US-Segment wo er für einige Zeit an der IS´S verbleibt. Schließlich wird er mit Müll beladen, koppelt ab und die Kombination senkt die Bahn soweit ab, dass der tiefste Punkt in 80 km Höhe liegt. Dafür braucht dieses Gefährt schubkräftigere Triebwerke als das ATV, denn das muss schnell gehen. Denn kurz darauf wird der Druckbehälter abgetrennt, das Servicemodul dreht sich und erhöht erneut die Bahn.

Ich habe das mal durchgerechnet. Bei 100 m/s für Manöver vor dem Ankoppeln, das ankoppeln und abkoppeln und 94 m/s um eine 400 km Kreisbahn in eine 400 x 80 km Bahn  zu verwandeln (analog derselbe Betrag um sie wieder anzuheben) dann kann man mit den 13,2 t Treibstoffvorräten genau 5 Missionen durchführen. Der Druckbehälter ist verhältnismäßig preiswert. der kleine für die Cygnus kostet 20 Millionen Euro. Nimmt man 40 Millionen für einen doppelt so großen an plus 10 Millionen Euro für einen zweiten Kopplungsadapter und 200 Millionen Euro für ein Servicemodul so sieht die Rechnung so aus

1 x Servicemodul : 200 Millionen Euro

5 x Druckbehälter: 250 Millionen Euro

6 x Starts und Missionsdurchführung: 1020 Millionen Euro

Das sind Gesamtkosten von 1470 Millionen Euro. Der Reine Druckbehälter kann bei dem Frachtanteil der MPLM rund 13.500 kg Fracht pro Mission (bei 20.250 kg Startmasse) befördern, das sind dann 67.500 kg für diese Summe oder 21.800 Euro pro Kilogramm. Zum Vergleich, das ATV liegt derzeit bei 7,1 t Nutzlast bei 63.300 Euro/kg und der billigste US-Anbieter (SpaceX) bei 64.000 Euro/kg (Dollarkurs 1,25 zu 1).

Noch etwas billiger aber nicht mehr sehr viel, wird es wenn man das Servicemodul ohne Treibstoff startet (dann reicht eine Sojus als Träger aus) und dafür den für die Mission benötigten Treibstoff und das Druckgas im Druckbehälter mitführt und in das Servicemodul umfüllt. Die Fracht sinkt dann ab, um etwa 2 t Treibstoff und Gase, wahrscheinlich noch etwas mehr, weil man auch Tanks und Leitungen braucht. Wenn man 2,5 t weniger Nutzlast annimmt, ist man bei immer noch 11 t Fracht pro Mission, dann ist aber das Servicemodul praktisch unendlich lange nutzbar. Man braucht aber lange um die erstere Lösung zu toppen, denn nun sieht die Rechnung so aus:

Fixkosten : 1 x Servicemodul + 1 x Start mit einer Sojus : 270 Millionen Euro

pro Mission ein modifizierter (etwas teurerer) Druckbehälter und ein Ariane 5 Start: 230 Millionen Euro pro Mission mit 11 t Nutzlast.

Ohne die Fixkosten sind wir schon bei 20.900 Euro pro Kilogramm und die Differenz zu den obigen 21.800 Euro ist gering. Erst nach 28 Missionen wäre diese Lösung preiswerter, sie ist zudem missionstechnisch deutlich aufwendiger und unendlich lange kann ein Servicemodul auch nicht arbeiten. Durch die 11 t pro Mission würde man bei 1 Mission pro Jahr auch so schon 5 Jahre lang es betreiben müssen.

Ein effizienter Transporter wäre auch wünschenswert, weil nach Auslaufen das ATV die NASA einen viel höheren Bedarf hat. Für die CRS-2 Ausschreibung geht die NASA von 15,5 bis 21 t pro Jahr aus, die 40 t die beim ersten contrakt in 5 Jahren transportiert werden würden also gerade mal für 2 Jahre reichen. Ein Frachter mit 11 t Nutzlast würde nur zwei Starts pro Jahr erforderlich machen. Dann wäre es natürlich ein US-System, doch mangels Zahlenmaterial ist es mit dem ATV einfacher durchzurechnen. In der Summe müsste man so die Kosten für die NASA

Basierend auf dem CRS-Kontraakt müssten ab 2016 die jährlichen Kosten wenn die USA die Station so versorgen würden und auch den Treibstofftransfer adäquat zahlen würden rund 1,70 Milliarden Dolalr kosten. Mit meinem Alternativkonzept wären es nur 580 Millionen Dollar, also eine enorme Ersparnis.