Im Nachbereiten des Teststarts vom 20. April bei SpaceX wie auch dem Schreiben des Artikels über das System fielen mir einige Ungereimtheiten auf, die zusammengenommen aber ein Bild ergeben.
Stahl als Werkstoff
Wie bekannt ist, wenn man Strukturen aus Stahl fertigt, ist dies schwerer als wenn man Aluminium oder CFK (Kohlenfaser verstärkter Kuntsstoff) nimmt. 2016 sahen die Pläne noch CFK-Tanks vor, Elon Musk präsentierte damals bei einer Vorführung sogar einen großen Tank nur aus CFK hergestellt. Ein Trend, den damals auch andere Raumfahrtfirmen aufgriffen und Boeing/NASA forschten sogar an Tanks für den flüssigen Wasserstoff die nochmals anspruchsvoller sind.
Es gab zwei Gründe für den Wechsel. Der eine war, das Stahl bis zu einer sehr hohen Temperatur seine Festigkeit behält. Bei der Falcon 9 deren Hülle aus Aluminium besteht, ist daher ein Treibstoff verbrauchendes Manöver nötig, bei dem die Geschwindigkeit vor der Landung auf dem Dronenschiff vernichtet wird. Das ist aber nicht so wichtig bei der Super Heavy, da diese eine Landlandung anstrebt. Für diese muss nicht nur die ursprüngliche Geschwindigkeit abgebaut werden sondern zusätzlich eine Geschwindigkeit gegen die Flugrichtung aufgebaut werden. Die Landgeschwindigkeit ist geringer, also auch die Erhitzung. Dafür braucht man aber viel mehr Treibstoff um zum Landeplatz zurückkehren was die Nutzlast bei der Falcon 9 fast halbiert. Bei Tanks aus Edelstahl wird dafür sogar noch mehr Teilstoff benötigt weil die Rakete so schwerer ist. Es ergibt also auch bei der Landlandung keinen Sinn.
Beim Starship hatte Elon Musk sogar die Idee ein regeneratives System der Kühlung einzubauen das den Stahl hoch erhitzen lässt. Wie das genau funktionieren sollte, lies er offen. Ich denke er wusste selbst nicht wie das gehen sollte und es war auch nicht umsetzbar, selbst wenn hätte der Autor Zweifel das der Stahl nach einigen solchen Erhitzungszyklen noch die nötige Festigkeit hat.
Nun ist Stahl nicht nur ein bisschen sondern deutlich schwerer. Man kann dies recht gut bei den Boostern der Ariane 5 und dem P80FW Booster der Vega vergleichen, denn beide haben ähnliche Durchmesser und damit beim selben druck ähnliche Belastungen:
| Booster | Ariane 5 EPC Segment | P80 FW Motorgehäuse |
|---|---|---|
| Durchmesser: | 3,05 m | 3,003 m |
| Länge: | 10,17 m | 8,63 m |
| Brennkammerdruck: | 60 Bar | 95 bar |
| Gewicht: | 7.200 kg | 3.350 kg |
| Pro 1 m Länge und 80 bar Druck | 816 kg | 261 kg |
Normiert auf den gleichen Innendruck und Länge wiegen die Gehäuse aus CFK-Werkstoffen nur 30 Prozent des Stahls. Aluminium läge bei etwa 53 Prozent. Die Super Heavy setzt bei den Tanks 80 t Stahl ein, beim Interstage 20 t und bei den Finnen 12 t, zusammen also 112 t. Beim Starship gibt es Angaben über ein solche Aufteilung nicht, aber die Tanks dürften mindestens 30 t wiegen, dazu käme noch die Nutzlastsektion. Wegen des Thermalschutzes ist der Stahlanteil hier geringer. Zusammen sind das aber ungefähr 150 t Stahl, die man durch 50 t CFK ersetzen könnte. Der Gewinn an Nutzlast wäre beträchtlich. Beim Starship bedeutet das Einsparen von Gewicht das die Nutzlast im Nicht-Wiederverwendbaren Fall um genau dieses Gewicht steigt, also mindestens 20 t, beim Wiederverwendbaren Fall wegen des Treibstoffs für das Verlassen des Orbits und dem Landen mehr, nehme ich den Quotienten von 150 t / 250 t Zielwert aus dem Users Manual, so wären es etwa 35 t. Bei der Erststufe Super Heavy ist es ebenfalls schwierig zu beziffern. Ohne Wiederverwendung wären es nach meinen Berechnungen etwa 36 t, auch hier braucht man deutlich weniger Treibstoff für die Landung, sodass dieser Anteil dann ebenfalls deutlich ansteigen würde. Aber nur die 20 t und 36 t addiert, käme man auf 56 t mehr Nutzlast und damit mehr als Stufenverlängerung oder neue Raptoren erbringen.
Warum man dies nicht tut, während andere gravierende Maßnahmen wie mehr Triebwerke oder Triebwerke mit mehr Schub oder Stufenverlängerung geplant sind? Mit Logik ist das nicht zu begründen. Denn das System der Stahlkühlung wurde ja ganz schnell aufgegeben, sodass man durchaus Zeit gehabt hätte das Material zu wechseln, zumal Strukturen wie Tanks weder die Kostentreiber noch zeitkritisch sind. Ich vermute die Explosion einer Falcon 9 mit Amos 6 im September 2016 brachte hier die Wende. Damals explodierte eine Flasche aus CFK im Flüssigsauerstofftank der Oberstufe, aber warum dies passierte wurde nie so richtig geklärt, es gab nur eine Vermutung für die Ursache. Das scheint bei Musk das Vertrauen in dieses Material zerstört haben, aber es gäbe ja immer noch Aluminium als Alternative.
Ich sehe einen anderen Grund in einem anderen Punkt der im folgenden Absatz auch noch zum Tragen kommt. Elon Musk lebt zwar einen aufwendigen eigenen Lebensstil in dem er seltene Autos sammelt und selbst kleinste Strecken mit dem 78 Mill. $ Privatjet zurücklegt, aber er spart bei den Firmen wo es nur geht. Es gibt sowohl bei Tesla wie auch SpaceX Berichte über untertarifliche Bezahlung, unbezahlte Überstufen und Gewerkschaften die sich für Arbeitnehmerrechte einsetzen einsetzen werden nicht geduldet. Von Home Office hält er ebenfalls nichts, weil er meint, dass dort niemand arbeiten würde. Das setzt sich auch bei den Materialien durch. Für die Dragon wurden Billig-Solarzellen aus China verwendet, die nicht weltraumtauglich waren und rasch an Leistung verlieren. Kein Problem nach Shotwell, bleibt eine Dragon doch nur 30 Tage im All. Das gleiche gilt für die nicht stahlengehärteten Prozessoren, hier wurde immerhin durch Redundanz abgesichert. Aber spontane Reboots gehören zum Dragonalltag. Bei der Wahl von Stahl hat Musk das sogar begründet. Stahl kostet 3 Dollar pro Kilogramm,. CFK, kostet 130 Dollar. Ja billig ist das Material nicht. Aber die Wahl wäre selbst bei einer „Wegwerf-Rakete“ falsch weil das eingesparte Gewicht eben auch die Nutzlast erhöht. Bei dem Starship sieht die Rechnung so aus: 112.000 kg CFK x 127 kg Mehrkosten/kg = 14.224.000 $ Mehrkosten. Das bei rund 57 t mehr Nutzlast macht einen Preis von ~2.500 $ kg. Und das gilt nur für den einmaligen Einsatz. Wenn es nur gelingt das Starship zehnmal mehr wieder zu verwenden sinkt das auf 250 Dollar/kg oder rund 1,4 Millionen Dollar pro Start und damit ist dieser Posten schon kleiner als die Treibstoffkosten. Geplant ist eine viel öftere Wiederverwendung von bis zu 1.000 mal. Da spielen die höheren Herstellungskosten praktisch keine Rolle mehr.
Raptors Fertigungskosten
Auch bei den Fertigungskosten der Raptor ergibt sich dieser Widerspruch. Nach einem Artikel will Elon Musk die Fertigungskosten pro Triebwerk auf 250.000 Dollar senken. Wie hoch sie derzeit sind, lässt er natürlich offen. Als Vergleich: Für das Prometheus Triebwerk das die ESA entwickeln lässt ist der Zielwert 1 Million Euro bei halben Schub eines Raptors. Das ist also nicht nur ambitioniert, selbst wenn man berücksichtigt das wir über andere Stückzahlen reden, bei 39 Triebwerken pro Starship. (Höhere Stückzahlen senken natürlich die Kosten pro Triebwerk). Nur erschließt sich mir auch nicht der Sinn. Nach Musks Angaben soll ein Raptor 1.000-mal wiederverwendbar sein. Zum Vergleich: Die Merlins sind etwa 10-mal wiederverwendbar und die Space Shuttle SSME waren auf 55-mal spezifiziert. Wenn ein Triebwerk aber 1.000-mal wiederverwendbar ist, dann muss man keinen großen Aufwand treiben, die Fertigungskosten extrem zu senken. Denn das kostet ja auch Geld. Wenn ein Starship 100-mal pro Jahr startet, braucht es rein rechnerisch bei 100 Einsätzen pro Raptor nur alle zehn Jahre neue Triebwerke.
Pro Triebwerk macht das bei jedem Flug dann nur 250 Dollar aus. Wenn sie das zehnfache kosten würden also 2,5 Millionen Dollar wären das auch nur 2.500 Dollar oder 87.750 Dollar Mehrkosten pro Flug – ein Bruchteil dessen was heute alleine der Treibstoff kostet. Und der dürfte langfristig neoh teurer werden. Es gibt aber einen Grund, warum Musk auf billige Raptors Wert legt., nämlich wenn er viele Flüge brauch,t bis die Wiederverwendung klappt denn dann gehen bei jedem Flug eben Millionen verloren. Genauso ist offen, ob er 1.000-mal Wiederverwendung erreicht. Die bisherigen Ergebnisse bei den Flugtestes sowohl der Landung des Starships auf 10 km Höhe wie auch beim Testflug erwecken bei mir nicht den Eindruck als wäre auch nur ein Triebwerk jemals 1.000-mal über die volle Brennzeit gelaufen wie dies bei anderen Triebwerken der Fall ist wo man die Lebensdauer gerade anhand dieser Tests beziffert. Ich fand bei der Recherche, das man erst im August 2021 einmal 300 Sekunden Testzeit erreicht hat, also nicht mal ein Tausendstel der benötigten Brenndauer. Wenn Musk diese Anzahl von Wiederverwendungen nicht erreicht – und danach sieht es derzeit aus – macht es natürlich Sinn die Herstellungkosten bei 39 Triebwerken pro Starship zu drücken. Bei Musks „Uncle Scrooge“ Einstellung (so heißt Onkel Dagobert im US-Original) gibt es natürlich noch einen anderen Grund: Die längste Brenndauer hat man beim Starship, pro Triebwerk werden dann 200 t Treibstoff verbraucht. Selbst wenn man sich auf nur ein Triebwerk für einen Lebsdauertest beschränkt also nicht sechs oder gar 33, so verbrauchen 1.000 Tests rund 200.000 t Treibstoff die derzeit rund 80 Millionen Dollar kosten.
Raptors Zuverlässigkeit und Ausbau
Was auch gegen ein ausführliches Testprogramm spricht ist das sowohl bei den Landungstests wie auch beim Testflug Triebwerke ausfielen. Beim Testflug bei der Probezündung zwei Triebwerke und beim eigentlichen Testflug vor dem Abheben drei, danach drei weitere. Nun ist bei 33 Triebwerken ein Ausfall wahrscheinlicher. Aber knapp ein Fünftel? Das würde heißen das bei anderen Raketen die in der Regel nur ein Triebwerk haben jeder fünfte Start misslingen würde oder bei jedem Falcon 9 Start mindestens eines ausfallen würden und bei jedem Falcon Heavy Start fünf Stück. Das ist eine erstaunliche niedrige Zuverlässigkeit. Es fällt schwer zu glauben das diese Triebwerke flugqualifiziert sind, überhaupt ihr Testprogramm abgeschlossen haben. Das habe ich schon erwähnt und ich denke das wusste SpaceX vorher. Zum einen durch den Ausfall zweier Triebwerke bei der kurzen Testzündung am 9.2.2023 und zum zweiten, weil man den Schub bei 90 Prozent lies. Als drittes gibt es dann noch das Statement von Musk, das der Flug ein Erfolg ist wenn die Rakete nur den Startturm passiert.
Ich interessiere mich seit 40 Jahren für Raumfahrt, so was habe ich noch nie vorher gehört. Klar ist man bei Testflügen vorsichtig, nimmt oft nur Ballast oder Passagiere mit, die den Flug kostenlos bekommen wie Cubesats. Aber so eine Aussage von einer Firma die von Fans in Kommentaren hier als „Weltmarktführer“ bezeichnet wird ist einmalig. Also ich erwarte von dem Marktführer, erst recht Weltmarktführer, dass bei ihm es noch besser geht als bei der Konkurrenz. Ich mag nicht dran denken was losbrechen würden, wenn ULA beim Jungfernflug der Vulcan der auch ansteht, sagen würde „Wenn sie den Startturm passiert ist das ein Erfolg“. Es zeigt aber das der Hype um SpaceX fast pseudeoreligiöse Züge angenommen hat, wie bei den Coronaleugnern oder Mondlandeverschwörer oder bei Donald Trump. Auch da können sich die Verantwortlichen fast alles leisten und niemand hinterfragt das kritisch. Da wird Ballweg, Gründer der °Querdenken“ Bewegung weil er von den Spenden viel für sich abgezweigt hat inhaftiert, den Anhängern machts nichts aus. Da benimmt sich Trump weder christlich und wird wegen sexueller Nötigung verurteilt, aber seine so bibeltreue Anhängerschaft unter den Fundamentalchristen glaubt ihm jeden Tweet der auch meist unchristliche Beschimpfungen enthält.
Aber ich schweife ab. Der entscheidende Punkt ist nicht nur das man diesen Teststart nicht hätte machen dürfen, das habe ich schon woanders erläutert, sondern das er auch sinnlos ist wenn die Triebwerke noch gar nicht zu Ende entwickelt sind. Denn die Triebwerke jetzt sollten durch Versionen mit 330 anstatt 300 Bar Brennkammerdruck Schub ersetzt werden und diese nach neuesten Posts durch welche mit 350 Bar Druck. Es verändert sich durch die Druckerhöhung vieles und das bedeutet das jedes Triebwerk requalifiziert werden muss. Es muss nicht vollständig alle Tests durchlaufen aber so viele das man weiß, das es trotzdem sicher ist und funktioniert. So war das bei vielen Steigerungen von Brennkammerdrücken bei den SSME, Viking oder dem Übergang vom Vulcain 1 auf das Vulcain 2. Es macht noch weniger Sinn ein nicht qualifiziertes Triebwerk für einen Testflug zu nehmen, wenn dieses später nicht mal mehr eingesetzt wird, dann kann man alle gewonnen Daten gleich in die Tonne kippen.
Was mich noch mehr erstaunt, ist eine Explosion um T+30 Sekunden die später nicht nur zu weiteren Triebwerksausfällen führte sondern auch zum Verlust der Lenkung. Die Zeiten wo ein Triebwerk einfach explodiert können heute vorbei sein. Die NASA führte beim Space Shuttle zum ersten Mal einen Triebwerkskontroller ein, der in der ersten Generation nur überwachte ob rote Linien überschritten wurden, also z.B. die Drehzahl der Turbine zu hoch war oder der Brennkammerdruck. Schon diese erste Generation auf Basis der Technik Anfang der Siebziger Jahre konnte ein Triebwerk so abschalten, dass es nicht explodierte, also rechtzeitig bevor nicht nur diese „roten Linien“ überschritten wurden, sondern das Material nachgab. Diese Kontroller demonstrierten dies auch unfreiwillig, während der Frühphase des Space Shuttle Programms schalteten Kontroller mehrmals Triebwerke beim Start ab und einmal sogar während des flugs. Ursache war aber kein Problem mit den Triebwerken sondern ein Sensor der falsche Daten lieferte. Nach der Jahrtausenderwende kam die dritte Generation zum Einsatz, das AHMS (Advanced Health Management System), das mit Signalverarbeitungsprozessoren mit viel höherer Rechenleistung nicht nur Grenzen überwachte, sondern Trends erkannte die wenn sie weiter liefen irgendwann gefährlich werden. Das AHMS konnte nicht nur noch früher Triebwerke abschalten, sondern bevor das der Fall war, reduzierte es ihre Leistung, bis sie wieder stabil liefen. Das würde nach Analysen die meisten Missionen, die sonst abgebrochen werden müssten, retten.
Die Entwicklung des AHMS ist zwanzig Jahre her, das ist also nicht mal der neueste Schrei. Warum SpaceX bei einer Rakete bei der Ausfälle noch öfters vorkommen, einfach aufgrund der vielen Triebwerke, nicht so ein System hat ist mir ein Rätsel, aber ich vermute Elon Scrooge hat auch hier gespart. Ist ja sein Steckenpferd so wie bei Telsa wo die Käufer 10.000 Dollar für einen Fahrassistenten bezahlen dürfen, der damit er ganz billig herzustellen ist, nur aus Kameras als Sensoren besteht, anstatt den woanders verbreiteten LIDAR- und Radar-Sensoren zusätzlich die natürlich mehr kosten als Kameras.
Fazit
Für ein Vehikel das 1.000-mal wiederverwendet werden soll, dessen Hardwarekosten sich also über 1.000 Flüge verteilen, erwarte ich das man versucht die Nutzlast zu maximieren und dann nicht das billigste Material für die Tanks nimmt, sondern das leichteste auch wenn es teurer ist.
Für ein Vehikel das 1.000-mal verwendbar ist erwarte ich das man nicht die billigsten Triebwerke nimmt, sondern die, die auch 1.000 Zyklen durchhalten und nicht schon bei der ersten Zündung ausfallen und ich erwarte das man dies auch testet wie man dies bei der NASA oder ESA bei Triebwerken getan hat die über die volle Lebensdauer (und die ist um ein vielfaches länger als die Betriebsdauer) getestet wurden.
Bei einem Vehikel mit 39 Triebwerken bei denen jedes einzelne ausfallen kann, erwarte ich das diese noch zuverlässiger sind als bei Raketen mit nur einem oder wenigen Triebwerken. Auch das diese so abgeschaltet werden, das nicht eines durch eine Explosion weitere Triebwerke in der Nachbarschaft beschädigt wie dies passierte. Besonders wenn diese Rakete einmal 100 Personen befördern soll.
Es gibt eigentlich nur eine Erklärung für diesen Teststart. Elon Musk hat schon im November 2011 geschrieben das die Raptors ein Disaster sind, die die Firma in das Risiko des Bankrotts führen. Das Problem ist das Starlink als Hauptkostenfaktor aber auch Haupteinnahmequelle an dem Starship hängt. Die derzeit gestarteten Satelliten sind „financial weak“, das heißt die zweite Generation, die das Starship benötigt, muss so schnell wie möglich gestartet werden was denn zu solch Verzweiflungstaten führt. Da fliegt man eben mit dem was man hat, in der Hoffnung, es fällt nicht aus.