Eine neue Industrie trotz hoher Startkosten

Seit Jahrzehnten wird es gebetsmühlenartig proklamiert: Wenn erst mal die Startkosten sinken, dann beginnt eine neue Ära der Raumfahrt. Dann geht man über von der Weltraumforschung zur Weltraumnutzung. Was vorgeschlagen wird, ist zeitgeistabhängig. In den Siebzigern waren es große Kommunikationsplattformen, Energie aus dem Weltraum oder die Atommüllentsorgung und Fabrikation im Weltraum. Heute ist es wieder Kommunikation, diesmal mit Flotten kleiner Satelliten und durch Erfahrung klug geworden, prognostiziert man einfach völlig neue Industriebereiche, die durch kleinere Startpreise möglich wären.

Ich stand dem schon immer kritisch gegenüber. Aus dem einfachen Grund, das selbst bei kommerziellen Satelliten wie Kommunikationssatelliten die Herstellungskosten weitaus höher sind als die Startkosten. Dabei ist deren Herstellung schon durch den hohen Bedarf und die Konkurrenz der verschiedenen Firmen optimiert. Sie basieren auf wenigen Bussen, die dann individuell abgewandelt werden. Trotzdem sind solche Satelliten heute noch eine Investition im mehrfachen Millionenbereich. Einige Angaben:

• Bulgariasat 1: Gesamtinvestitionen 235 Mill. $, davon < 61 Millionen für den Start
• Visat 2: Satellit 625 Millionen, dazu 100 Mill. $ für den Start
• Intelsat EPIC Generation: 300 bis 425 Millionen, dazu 60-100 Mill. für den Start

Man muss nicht mal einzelne Projekte bemühen, 2016 betrug der Gesamtumsatz aller Satellitenhersteller 13,9 Milliarden Dollar, Launch Services dagegen 5,5 Milliarden Dollar. Ein Satellit ist im Mittel zwei bis dreimal teurer als ein Start, allerdings mit starken Schwankungen, wie auch der Report zeigt: 51% der 2016 gestarteten Satelliten hatten als Hauptfunktion die Erdbeobachtung, sie machten aber nur 12% der Umsätze aus. Die militärische Aufklärung machte nur 10% aller Starts aus, doch 44 % des Umsatzes.

Historische Bestrebungen die Startkosten zu senken

Das ist nun nicht so neu. Schon früher war es so, dass die Nutzlast teurer als der Start war. Das einfachste Mittel ist es mehr als einen Satellit zu bauen. Die Entwicklungskosten waren schon immer höher als die Baukosten und diese kann man so auf mehrere Satelliten umlegen. Bei NASA-Planetensonden galt lange Zeit das bei einer „mittelaufwendigen“ Raumsonde ein zweites Exemplar 30 bis 40% des Ersten kostet. Die Schwankungsbreite war groß. Es konnten bei einfachen Sonde auch nur 60-70% sein, beim Viking Lander, der extrem herausfordernd für seine Zeit war, betrugen die Kisten des zweiten Exemplars nur 15%. Früher wurden viele Satelliten in Serien gebaut. So die Aufklärungssatelliten des Keyhole Programmes, die Mondprogramme Ranger, Surveyor und Lunar Orbiter und selbst Raumsonden im Doppelpack – auch um sich gegen Fehlstarts oder Ausfälle abzusichern. Kommunikationssatelliten werden heute noch in kleinen Serien bestellt, allerdings anders als früher oft mit Variationen in der Kommunikationsnutzlast.

Diese Regel gilt noch heute: Die Galileosatelliten von OHB kosten 566 Millionen Euro – bei 14 Satelliten also nur 41 Millionen pro Satellit. Bei Wettersatelliten betreibt man dies heute noch Metop wurde in drei Exemplaren gebaut, ebenso die Meteosatsatelliten, die inzwischen in die dritte Generation gehen. Da solche Satelliten Lebensdauern von einem Jahrzehnt haben, lagert man sie dann einfach ein, weil es günstiger ist, drei Satelliten nacheinander zu bauen als nach 5 Jahren einen Zweiten und nach 10 Jahren einen Dritten. Dazu später noch mehr.

Die USA testeten in den Achtzigern, als sie noch von geringen Startpreisen durch das Space Shuttle ausgingen, zwei andere Systeme. Das eine war die Wartung im Weltraum. Anstatt neue Satelliten zu bauen, wollte man alte Satelliten reparieren, sogar instrumentell aufrüsten. Es gab aber nur wenige Umsetzungen. Der Satellit SolarMax wurde im Orbit repariert, das Hubble Weltraumteleskop regelmäßig gewartet und Instrumente ausgetauscht. Schlussendlich erwies sich die Reparatur im Weltraum als teurer, als ein neuer Start. Man muss zu ihrer Verteidigung aber auch sagen, dass ursprüngliche System vorsah den Satelliten zu bergen und auf dem Erdboden nicht nur zu überholen, sondern auch mit neuen Instrumenten auszurüsten und dann erneut zu starten. Doch da die Startkosten dann doppelt so hoch gewesen wären, kam man davon ab.

Die zweite Option waren einfache Träger, die man mit Experimenten ausstatten, im Orbit aussetzen und später bergen wollte. Zuerst kam der amerikanische LDEF, ein 9,7 t schwerer Kasten, in dem 86 meist passive Experimente untergebracht waren (einige hatten einen Bandrekorder für Daten, aber es gab keine Funkverbindung). LDEF war ein Träger für Technologieexperimente wie z.B., wie sich Oberflächen im Weltraum verändern oder für Grundlagenforschung, wie z.B. sich Strahlung auf Bakterien und Samen auswirkt. Eureca war das europäische Gegenstück, anders als LDEF mit aktiver Stromversorgung und Kommunikationsverbindung. Auch Eureca wurde wieder eingefangen und geborgen. Beide Projekte waren für mehrere Flüge ausgelegt, kamen aber nur einmal ins All. An der Situation hat sich seit 30 Jahren nichts geändert. Weder gab es das revolutionäre Trägersystem, das die Startkosten drastisch verbilligte, noch eine neue Anwendung für Satelliten. Trotzdem boomt der kommerzielle Startsektor. Um die Jahrtausendwende wurden kommerzielle Erdbeobachtungssatelliten gestartet, erdnahe Kommunikationsnetze durch Iridium und Globalstar aufgebaut. Trotz der durch den Internetboom rapide zugenommen Vernetzung der Erde werden nach wie vor viel Kommunikationssatelliten in den GEO gestartet, inzwischen ergänzt durch Systeme im MEO für Schiffe und Flugzeuge.

Preiswerte Satelliten ohne geringere Startkosten

Nun plötzlich kommt eine Wende. Obwohl sich weder an den Startkosten was geändert hat noch es neue Technologien gibt, sind die Kosten für zumindest kleine Satelliten stark gesunken. Am Freitag startete eine Sojus mit 73 Satelliten, die meisten, 48 für Planetlabs, die nun schon 190 Satelliten im Orbit haben. Planetlabs hat insgesamt 183 Millionen Dollar akquiriert, was nicht nur für den Bau der eigenen Satelliten reichte, sondern auch um Rapideye zu übernehmen, die selbst 155 Millionen Dollar in ihr 5-Satellitenprojekt gesteckt haben. Planetlabs ist eine Ausnahme, weil sie enorm viele Cubesats einsetzen, doch etwas größere Satelliten boomen auch. Bei dem Start sind auch Satelliten von Astro Digital dabei, die 165 Millionen Dollar gesammelt haben und damit 10 6U-Cubesats und 20 größere Satelliten im Gewicht von 20-100 kg bauen wollen. Auch hier kommt man auf nur wenige Millionen Dollar pro Satellit. York Space Systems bietet seine S-Class Plattform kommerziell an: Der 65 kg schwere Satellit kostet je nach gewählter Zusatzoption 0,675 bis 1,6 Millionen Dollar und kann bis zu 85 kg Nutzlast aufnehmen.

Gut einstellige Millionenbeträge klingen immer noch teuer, gemessen an den Kosten größerer Satelliten sind diese jedoch billig. Die Kosten eines Satelliten hängen zwar von der Größe ab, aber nicht linear. Zwar sind die Materialen teuer aber, sie spielen bei den Startkosten keine Rolle. Wenn kohlefaserverstärkte Kunststoffe 12 $/kg kosten so machen sie nur einen kleinen Teil der Kosten aus. Gemessen den Kosten pro Kilogramm könnte man die Satelliten aus reinem Gold fertigen und der Kilogrammpreis wäre immer noch kleiner als heute. Bordcomputer sind immer gleich teuer, egal wie groß der Satellit ist. Ein Board mit dem BAE 750 RAD Prozessor das weltraumqualifiziert ist kostet 200.000 $ und ein soclhes braucht jeder Satellit.

Eines ist auffällig: auch wenn bei diesem Start einige öffentlich geförderte Satelliten mit dabei waren, wie z.B. der „Flying Laptop“ meiner Heimatuni Stuttgart (die leider zwar ein 400 MB großes ZIP-Archiv als Presskit zur Verfügung stellt, die echten Informationen aber auf zwei Seiten beschränkt, der Rest sind hochauflösende Bilder und Videos). Die meisten Satelliten sind aber von Unternehmen finanziert, nahezu alle sind Startups wie Astro Digital oder PlanetLabs. Das mag ein Schlüssel sein. Raumfahrtagenturen vergrößern die Kosten, indem sie zum einen viel Bürokratie erzeugen, zum andern selten einfach etwas von der Stange kaufen und meist Speziallösungen haben wollen. Auch sind wie schon geschrieben die meisten Satelliten Bestandteile einer Serie. Ich vermute aber der Hauptunterschied ist eine effizientere Herangehensweise beim Design und Bau, aber auch den Anforderungen. Die Satelliten von Astro Digital sind z. B. nur auf 2 Jahre Betriebszeit ausgelegt, üblich sind sonst mindestens 5-7 Jahre.

Wenn man an Serienbauweise denkt, dann fallen einem aber vor allem die Konstellationen ein. Die einzige Firma, die finanziell abgesichert ist und von der es auch Fortschritte und abgeschlossene Verträge zu vermelden gibt, ist OneWeb. OneWeb wird in der ersten Phase 648 Satelliten starten. Dafür hat die Firma 3,5 Milliarden Dollar akquiriert die ausreichen 900 Satelliten (inklusive Ersatzsatelliten) zu bauen. Jeder kostet also nur noch 4 Millionen Dollar – wobei alleine der Start über 1,5 Millairde Dollar kostet – bei 21 Starts mit der Sojus plus 5 Optionen und 3 Ariane 6 Starts. Inzwischen will die Firma 1972 weitere Satelliten bauen.

Andere Konstellationen gibt es noch nicht – zumindest nicht als konkrete Projekte. Bei der internationalen Organisation FAA, die Frequenzbänder vergibt, sind allerdings sehr viele Anträge eingegangen. Bei vielen wird es sich aber um reine Reservierungen handeln, denn wenn ein Frequenzband erst mal vergeben ist, kann es kein anderer mehr nutzen.

Kurzum: es gibt heute eine Fülle von Satelliten, die nicht nur Cubesatgröße haben, sondern mit etwa 50 bis 100 kg Masse auch groß genug sind eine angemessene Instrumentalnutzlast zu tragen. Und sie sind um einiges billiger als größere Satelliten. Inzwischen hat dieser Trend auch die Raumfahrtagenturen erreicht. Die DLR hat im letzten Juni den Feuerüberwachungssatelliten BIROS gestartet. Sein Preis ist nicht bekannt, da auch Eigenmittel genutzt wurden, aber die BMFT-Förderung betrug 5 Millionen Euro und man kann davon ausgehen, dass diese Forderung ein signifikanter Teil der Projektkosten ist. Es bleibt zu hoffen das sich dies weiter fortsetzt.

Woran es immer noch mangelt, sind Startgelegenheiten. Die Sojus hat zwar 73 Satelliten gestartet, doch 48 waren Dove Satelliten mit jeweils 4,7 kg Masse. Zudem würde ein Fehlstart dann auch gleich 73 Satelliten verloren gehen lassen. Ich habe ja schon geschrieben über die neuen Träger, die sich speziell an Cubesats wenden. Satelliten von 100 kg aufwärts können derzeit nur bei größeren Trägern mitfliegen. Da gäbe es die Vega, Rockot, Minotaur C, PSLV und Epsilon mit Nutzlasten von 0,9 bis 2,4 t in den LEO oder 0,65 bis 1,5 t in den SSO. Ein Run auf diese Träger ist bisher ausgeblieben, mit Ausnahme der PSLV. Woran liegt es? Zu teuer, zu unflexibel? Nun wir haben gesehen, dass aus dem Stand eine neue Industrie entstand. Ich bin überzeugt, dass wenn diese Nachfrage anhält, man auch bald die entsprechenden Träger entwickeln wird. Derzeit werden ja Electron und Launcher One entwickelt. Die reichen aber nicht für die größeren Satelliten aus. Die finanzkräftigen Milliardäre haben diesen Markt bislang ignoriert. Elon Musk hat die Falcon 1e die für diese Satelliten geeignet war. eingestellt, Benzo strebt nach Suborbitaltourismus und großen Trägern. Paul Allen strebt mit der Stratolaunch auch eine größeren Rakete an, wobei man über die Rakete nur wenig weiß, Stratolaunch konzentriert sich auf das Flugzeug und überlässt die Entwicklung der Rakete ATK.

Doch die Entwicklungskosten der Falcon 1 sollen nur 90 Millionen Dollar betragen haben – weniger als Astro Digital oder Planetlabs für ihre Satellitenflotten aufgebracht haben. Sie hatte immerhin 500 kg Nutzlast. Ich glaube das wir, wenn dies nicht nur ein Phänomen bleibt, bald auch neue Träger mit 1-2 t Nutzlast sehen werden.

Phänomen oder beständig?

Diese Frage ist der Knackpunkt. Es muss ja alles wieder refinanziert werden. Die meisten Satelliten, die derzeit gestartet werden, sind Erdbeobachtungssatelliten. Doch gibt es genügend Abnehmer für die Produkte? Die kommerziellen Satelliten die Digiglobe die schon seit 20 Jahren ihre Erdbeobachtungssatelliten betreiben verkaufen die meisten Bilder an Regierungsorganisationen. Diese betreiben auch eigene Satellitensysteme und Europa stellt die Produkte der Sentinels sogar öffentlich und kostenlos zur Verfügung. Vor allem haben die Satelliten ja eine kleine Auflösung und erfassen so große Flächen und stehen in Konkurrenz. Astro Digital will mit ihrer Flotte global den ganzen Planeten einmal pro Tag erfassen – und das ist nur eine Betreiber. Ob sich für alle Betreiber auch Kunden finden, die dafür sorgen, dass die Kosten wieder hereinkommen? Das ist die Frage.

Noch einmal um den Faktor 10 größer sind die Investitionskosten in ein erdnahes Satellitensystem für die Kommunikation. Da Globalstar und Iridium mit ihren beiden Systemen um die Jahrtausendwende Schiffbruch erlitten sind Investoren vorsichtig. Ich denke alle warten mal ab, wie dies bei Oneweb verläuft. Schreibt die Firma schwarze Zahlen, so wird man die anderen Systeme, für die man nun Frequenzen reserviert hat, umsetzen, ansonsten verschwinden diese in der Schublade wie um die Jahrtausendwende die Systeme von ICQ und Teledisk auch mit Hunderten von erdnahen Satelliten. Diese Systeme haben den rapiden Ausbau von Handynetzen selbst in Entwicklungsländern unterschätzt ebenso wie den Ausbau von Glasfasernetzen für Internet und wollten beides über Satelliten abwickeln.

Fazit

Wie sich gezeigt hat, benötigt man nicht niedrige Startkosten, um mit Raumfahrt Geld zu verdienen. Es geht darum, dass die Gesamtrechnung aufgeht. Derzeit haben wir einen Wandel bei konstanten Startkosten, ja bezogen auf diese kleinen Satelliten sogar recht hohen Startkosten (pro Kilogramm Masse). Das zeigt auch der oben verlinkte Report. Das meiste Geld wird nämlich nicht mit dem Bau oder Start umgesetzt, sondern mit der Infrastruktur am Boden (man multipliziere nur mal Millionen von Satellitenschüsseln, Receivern etc. mit ihrem Verkaufspreis) und den Services. Bei 260 Milliarden Gesamtumsatz der Industrie die Satelliten, Raketen aber auch Bodenanlagen und Services vermarktet gehen weniger als 20 Milliarden in das Space Segment, also das, was im Welktraum landet. Für den Gesamtprofit ist es dann auch nicht wesentlich ob die Starkosten 5,5 Milliarden oder 3 Milliarden betragen.