Kommerziell – immer billiger?

Die NASA läuft ja derzeit auf der „Kommerziell“-Welle. Nun soll auch ein Lunar Gateway (eine Raumstation im Mondorbit) und der Mondlander „kommerziell“ entstehen. In Deutschland ist man ja da noch viel weiter. In dem Abbau der Kompetenz der Fachredaktionen wird dann inzwischen schon beim SWR und im Heute Journal von „privaten“ Raketen von SpaceX gesprochen. Klar, Elon Musk ist ja Milliardär, der baut die nur so zum Spaß. Und das seine Firma zu 70 bis 80 % von Staatsaufträgen lebt ist ja auch völlig unbedeutend. Ich will heute mal untersuchen, wie es mit „Kommerziell“ bestellt ist, und zwar am einzigen etablierten System: dem Transport von Besatzung und Fracht zur ISS.

Wie kommerziell funktionieren könnte.

Um es gleich zu sagen: ich bin nicht gegen den Ansatz, dass der Staat sich zurückzieht. Die Weltraumagenturen wurden ja geschaffen um Forschung durchzuführen, daher ein Vergleich zur Forschung in MPI oder Universitäten. Dort ist es normal, das man neue Geräte baut, Verfahren entwickelt. Aber die Standardeinrichtung der Labore ist von der Stange. Übertragen auf die Weltraumfahrt: der Satellit oder die Raumsonde könnte von der Industrie entwickelt werden oder sogar von der Stange kommen. Die Instrumente werden dagegen von Forschungsinstituten entwickelt. Neue Technologien, die man nur für eine wissenschaftliche Mission braucht – wie Landeverfahren für eine Marsmission – könnte weiterhin der Staat entwickeln. Wer nun sagt: so läuft es ja bisher schon. Raumfahrtkonzerne entwickeln die Satelliten und Instrumente der Staat. Dem muss ich antworten: nicht optimal. Wer mal mit einem Projekt befasst ist, weiß, dass ein kommerzielles Produkt durch zig Sonderwünsche des Kunden teurer wird, weil daraus dann eine Einzelanfertigung wird. Die Sonderwünsche sind manchmal notwendig. Meistens aber nicht. Es sind die Dinge die man als Programmierer als „Nice to have Features“ bezeichnet. Jeder möchte etwas extra haben, was einen Vorteil verspricht, doch wenn man den Vorteil im Vergleich zu den Extrakosten nimmt, dann, sieht das anders aus. Ich nehme mal als Beispiel weil es aktuell ist, ein Angebot für meine PV-Analge mit „Nice to Have Features“

Option	Zusatznutzen	Zusatzkosten (ohne MWST)
Basispreis		9,022,80
Zähler für Eigenverbrauch	Eigenverbrauch direkt einsehbar	390
Optimierer	328 Wh mehr Ertrag pro Jahr, Online-Überwachung auf Modulebene	1.320
Speicher 5 kwh	Eigenverbrauch steigt von 35 auf 70 %	5.850
Wartungsvertrag	Höherer Ertrag durch Reinigung, Pflege der Anlage	195 €/Jahr

Würde ich alle Optionen wahrnehmen, so würde über 20 Jahre meine Anlage um 11.460 € teurer, also erheblich teurer als die Anlage selbst. Der Nutzen ist überschaubar. Der Eigenverbrauchszähler spart nichts, er erlaubt es nur direkt den Eigenverbrauch zu ermitteln. Die Optimierer steigern die Ausbeute, aber sie müssten dreimal billiger sein, als das sich ihr Einsatz auch finanziell lohnen würde. Der Speicher lohnt sich auch nicht, selbst bei dem Preisunterschied zwischen Einspeisung und Eigenverbrauch von 17 ct/kWh. Ich müsste 41.000 kWh in den Speicher ablegen, ihn also rund 10.000 mak voll be- und entladen um nur ohne Verlust dazustehen.

Da ich selbst mal in einer Fachhochschule gearbeitet habe und da auch für die Bestellungen einiger Professoren zuständig war, weiß ich wie dies läuft. Sobald das Geld, das man ausgibt, nicht das eigene ist, sondern vielleicht sogar aus einem allgemeinen Budget eines ganzen Fachbereichs stammt, fallen die Hemmungen. Da muss das neue Notebook ein Designnotebook „Ferrari“ sein, oder mit zwei Festplatten und dem leistungsfähigsten Grafikchip, den es gibt. Notebooks für 2400 bzw. 3900 Euro. Oder man schafft eine Cave ein, die man in den 5 Jahren, die ich da war, 5-mal für einen Tag (zur offenen Tür) genutzt hat: Kosten 300.000 Euro. Viel häufiger hat die de Hersteller genutzt, der sie sich dann immer „ausgeliehen“ hat.

Ich vermute, dass es in der Raumfahrt auch so ist. Wenn man für das Budget nicht verantwortlich ist, dann möchte man eben das eine oder andere Nice To Heave Feature haben.

Bei der bemannten Raumfahrt ist es nochmals anders. Da es um Menschenleben geht, mit den entsprechenden Folgen bei einem Unfall – weniger für den Hersteller, als die Raumfahrtagentur – wird man sich noch mehr einmischen und nicht nur auf Standards pochen. Die Frage ist nun, ob es denn dann noch so viel billiger wird, als wie beim bisherigen System.

Der Äpfel mit Birnen Vergleich

Ich will ja einen ehrlichen Vergleich, und der ist nicht leicht. Das Space Shuttle ist als reiner ISS-Versorger viel zu groß. Es kann 7 Personen und 15 t Fracht zur ISS befördern. Benötigt man Fracht unter Druck, so sind es wegen des dann nötigen MPLM noch 10 t. Es sind vier Flüge für die Crew pro Jahr geplant. Das sind dann, wenn man die gesamte Besatzung auf de ISS belässt und mit der Letzten zurückkehrt, so wie heute bei der Sojus, 28 Personen/Jahr und 40 bis 60 t Fracht. 2018 gab es 5 Frachtmissionen zur ISS, zwei von OSC, drei von SpaceX. Setzt man 3 t für SpaceX als Durchschnitt an und 3,7 t für OSC, dann sind das nur 16,4 t. Ebenso wird es vier Besatzungstransporte mit je drei bis vier Astronauten pro Jahr geben also 12 bis 16 Personen. Wir reden also von einem Bruchteil der Kapazität des Space Shuttles.

Leider kann man nun nicht einfach, wenn es das Space Shuttle noch gäbe, einfach die Zahl der Flüge zu reduzieren. Es würden ja zwei reichen, um wie bisher die Besatzung alle 180 Tage auszutauschen und die würden trotzdem noch mehr Fracht transportieren. Was das Shuttle-Programm auszeichnete, war sein hoher Fixkostenanteil von 2,4 Mrd. Dollar pro Jahr, bei 3,2 Mrd. Dollar Durchschnittkosten und durchschnittlich 5 Flügen pro Jahr. Die Mehrkosten pro Flug liegen also nur bei 160 bis 200 Millionen Dollar und so spart man wenig ein.

Die Situation

2020 beträgt das Budget der NASA für Fracht und Crew zur ISS 1828 Millionen Dollar. Dazu zähle ich noch 99,6 Millionen für Launch Services, zusammen also 1928 Millionen Dollar. Das ist auf den ersten Blick billiger als vier Shuttle Flüge pro Jahr, die bei rund 3000 Millionen Dollar liegen würden. Selbst wenn man nur auf die benötigten zwei herunter geht sind es noch 2700 Millionen Dollar.

Bei den Frachtkosten ist es so, dass wenn man die 73.800 $/kg für CRS-2 nimmt die 16,4 t und 1210 Millionen Dollar entsprechen. Das Shuttle käme, wenn man 12 t im Mittel pro Flug ansetzt auf 64.500 $/kg. Allerdings ist dann der Mannschaftstransport umsonst, der sonst bei vier Flügen pro Jahr weitere 1200 Millionen Dollar kostet. (Die NASA zahlt im Mittel 300 Millionen Dollar für jeden der Testflüge von CCDev). Für die folgenden Flüge rechnet die NASA mit Kosten von 6 Mrd. Dollar für 5 Jahre.

Trotzdem ist das Shuttle auf den ersten Blick 1100 Millionen pro Jahr Dollar teuer.

Dem Entgegenrechnen muss man aber die rund 9 Mrd. Dollar Entwicklungskosten für CCdev/COTS. Die würden alleine für acht weitere Jahre Zuschuss von 1100 Millionen Dollar/Jahr reichen.

Möglichkeiten

Das nur drei bis maximal vier Astronauten pro Mission starten hat einen Grund: Mehr Astronauten kann man dauerhaft nicht auf der ISS unterbringen, denn es kommen ja noch zwei bis drei russische Kosmonauten hinzu. Sowohl Stargazer wie auch Crewed dragon können sieben Personen befördern. Würde man dies ausnützen, man bräuchte 66 % mehr Fracht, die die NASA fast voll tragen müsste, denn Russlands Anteil an Kosmonauten bliebe ja konstant. Mit dem Space Shuttle kein Problem, bei den derzeitigen Vehikeln würde es aber auf die Verdopplung der NASA-Transporte hinauslaufen und schon wäre man teurer als das Space Shuttle.

Der Ausstieg aus dem Space Shuttle Programm war ja schon verbunden mit der Reduktion der Stammbesatzung auf 7 Personen auf 6 (ein russischer Flug hätte zwei bis drei Kosmonauten, ein Shuttle Flug vier bis fünf Astronauten zur ISS gebracht, Pilot und Copilot des Shuttles wären nicht auf der Station geblieben). Da bei der Iss sehr viel Arbeit auf das Housekeeping entfallen (drei Personen sind nur dafür notwendig) steigert ein Astronaut mehr den Zeitanteil für Forschung um fast 100 %.

Es gibt zwei ISS-Module, die am Boden bleiben. Würde man eines als Forschungsmodul und eines als Wohnmodul umrüsten, so hätte man den Platz und die Forschungsmöglichkeiten für mehr Personen und das Space Shuttle könnte ohne Problem sieben Personen pro Flug zur ISS befördern – die Stammbesatzung läge dann bei 9 bis 10 Personen (eher 10, weil Russland dann wieder Touristikflüge wieder aufnehmen würde). Doch Touristen kann auch die NASA befördern. Zuletzt kostete ein Ticket zur ISS 50 Millionen Dollar. Würde man wie bisher nur drei Astronauten zur ISS befördern so gäbe es bei jedem der vier Flüge vier Sitzplätze, die frei sind, zusammen also 16 Fluggelegenheiten und damit bis zu 800 Millionen Dollar Mehreinnahmen – schon liegt das Space Shuttle nu noch knapp hinter Ccdev/CRS. Eine Kooperation mit Partnern die ihre Module dafür an die ISS ankoppeln wie Bigelow wäre möglich.

Natürlich bräuchte man eine Rettungsmöglichkeit. Dafür war einmal das CRV vorgesehen, dessen Entwicklung eingestellt wurde. Heute würde man eine Orionkapsel dafür vorsehen. Wie das CRV wäre sie sicher lange an der Station einsatzbereit. Das die Sojus nach maximal 200 Tagen ausgetauscht werden müssen liegt daran, dass sie im Kern noch Technologie der Sechziger Jahre darstellen. So wird Wasserstoffperoxid als Treibstoff eingesetzt und das zersetzt autokatalytisch. Dies und andere Faktoren limitiert den Einsatz. Wenn man aber ISS-Module für 20 Jahre Betrieb bauen kann, warum soll eine Raumkapsel das nicht auch leisten?

Problem Mensch

Auf der anderen Seite zeigt CRS-2 auch das der kommerzielle Ansatz erfolgreich sein kann. Sierra Nevada wird nur durch den Auftrag sein Raumschiff Dream Chaser finanzieren, anders als Orbital und SpaceX die ihre Raumschiffe durch COTS zumindest teilfinanziert bekamen. Das es nun drei Anbieter sind hat man aber nicht so richtig ausgenutzt, denn ich würde, nachdem SpaceX plötzlich vom billigsten zum teuersten Anbieter wurde, (50 % Preisanstieg) SpaceX Aufträge wegnehmen und auf die beiden anderen Firemn verteilen. Das ist auch ein Problem: man nutzt die Vorteile nur bedingt aus.

Beim CCdev zeigt sich aber das Hauptproblem. Es liegt im Zeitplan weit zurück. Zuerst wegen der Finanzierung, nun aber hängen die Firmen selbst zurück. Boeing nur im Zeitplan. SpaceX sogar echte Probleme mit der Hardware. Dabei entwickeln diese Firmen nichts wirklich revolutionäres. Die USA haben schon vier verschiedene Raumkapseln entwickelt. Sie sind eigentlich inhärent sicher, wenn man sie nicht wie SpaceX selbst in die Luft sprengt. Wie später bekannt wurde, waren bei dem System auch zahlreiche Dinge noch gar nicht an Bord wie ein Lebenserhaltungssystem, und da man keine Heizelemente für den Treibstoff hatte, konnte man die Dragon nur an Tagen starten, an denen sie innerhalb eines Tages an der ISS andocken konnte – kein Wunder, das nur ein Dummy an Bord war.

Dabei haben diese Vorkommnisse gar nichts mit dem bemannten Einsatz zu tun – auch bei einer unbemannten Kapsel müssen die Fallschirme funktionieren und darf ein Rettungssystem nicht die Kapsel sprengen. Etwas anderes wären Probleme mit dem Lebenserhaltungssystem oder Software für die Anzeigeninstrumente. Trotzdem werden Raumfahrtagenturen bei bemannten Missionen wegen des Risikos auf die Auswirkungen auf das Gesamtprogramm und die kosten bei einem Unfall (bei Challenger und Columbia jeweils etliche Milliarden) bei bemannten Raumschiffen noch mehr den Firmen auf die Finger schauen und sich noch stärker dort einbringen, sodass der Unterschied zur staatlichen Entwicklung nicht mehr so groß ist.

Beim bemannten Besatzungstransport ist noch dazu verrückt, dass es ja ein NASA-Raumschiff gibt: die Orion oder MPCV. Nur wird es nicht eingesetzt. Zwar ist die Orion recht schwer, aber ohne viel Treibstoff für Erdorbitmissionen wäre es noch mit den größeren Versionen der Atlas V oder einer Delta Heavy startbar.