Schwerlastraketen

Eigentlich sollte nun ja der Artikel über erneuerbare Energien kommen. Dummerweise habe ich jedoch die Mail ausversehen gelöscht. Für jeden Kommentar im Blog bekomme ich eine Mail und als ich da einen ganzen Block (durch die vielen Antworten auf Thomas Artikel) davon löschen wollte, war leider die Mail mit dem Artikel mit drin. Ich habe ihn aber noch mal abgefordert und hoffe er kommt bald. Gelegenheit über etwas zu schreiben was ja auch in der Diskussion über ein „vernünftiges“ Mondprogramm aufkam: Die Diskussion über eine Scherlastrakete. Wie bei der bemannten Raumfahrt ist so eine Diskussion ziemlich emotional belastet: Große Raketen sehen einfach gut aus. Sie sind majestätisch beim Abheben. Doch sehen wir es einfach mal praktisch:

Was sind die Argumente für eine Schwerlastrakete?

1. Eine Schwerlastrakete vereinfacht die Mission enorm: Ein Start und alles ist auf dem Weg zum Mond. Bei kleineren Raketen muss man mehr Starts durchführen. Das wird organisatorisch aufwendiger (Kopplung im Weltraum) und das Risiko des Scheiterns der Mission steigt, weil mehr Starts für eine Mission durchgeführt werden müssen.
2. Pro Kilogramm Nutzlast ist eine Rakete um so preiswerter, je größer ist ist.

Doch wie sieht es mit den Nachteilen aus?

1. Zuerst einmal: Große Rakete = Hohe Entwicklungskosten. Die Saturn V kostete rund 9 Milliarden Dollar. Teilt man diese Summe auf die 13 Fluge auf, so ist ein Start dann viermal so teuer. Die Folge: Aus dem billigen Träger wird ein teurer.
2. Eine Schwerlastrakete hat nur einen Verwendungszweck. Fällt dieser weg, so ist sie überflüssig. Auch dies kann bei allen bisher gebauten Exemplaren  (Saturn,N-1 und Energija) zu sehen.
3. Wenn dagegen eine kleinere Rakete mehrfach gestartet wird, dann wird die Produktion billiger, d.h. auch andere Transporte profitieren davon. Schon unter diesem Aspekt ist die Entscheidung der NASA für die Ares nicht gerade gut für die amerikanische Raketenindustrie.

Die Frage aber ist: Gibt es eine Alternative zu einer Schwerlastrakete?

Ja die gibt es und man kann ein Mondlandunternehmen sogar durchführen mit heute verfügbaren Trägern. Der Kernpunkt dessen ist, dass sowohl bei einem Marsunternehmen wie auch bei einer Mondlandung zwei Dinge gegeben sind: Der größte Anteil des Startgewichts das einen Erdorbit erreicht, sind Treibstoff um die Erde zu verlassen und jedes „monolitische“ Raumfahrzeug, also nicht an ein anderes gekoppeltes macht nur einen Bruchteil der Masse aus.

Um es mal konkret zu machen: Bei Apollo haben wir drei Teile: Den Mondlander LM (15 t), das Service Modul (SM) mit 24,5 t und die Kommandokapsel (CS) mit .5,8 t Masse. Von den 24.5 t des Servicemoduls entfallen auch 18.6 t auf den Treibstoff. Sie könnten durch eine Raketenstufe ersetzt werden. In der Summe ist also der schwerste Einzelbestandteil einer Apollo Mission der Mondlander mit 15 t Startmasse: Es gibt derzeit  mindestens vier Trägersysteme, die 15 t in einen Erdorbit befördern können. Bei einer Marsmission braucht man neue Trägerraketen. Hier liegt die minimale Startmasse bei rund 50 t, mit etwas Sicherheitsspielraum bei 70 t. Doch auch dies wäre durch Clusterung von bestehenden Typen wie Ariane, Zenit oder Atlas erreichbar.

Zuerst einmal: Wie läuft die Mondlandung bei Einsatz von Standfard Trägerraketen ab? Ich nehme mal als Beispiel die Beförderung des 20 t schweren Mondlanders in eine Mondumlaufbahn mit einer Ariane 5-ECA (Nutzlast 21 t) . Der erste Start führt in einen 300 km Orbit. Damit ist der Lander in einem Erdorbit. Nun startet eine zweite Ariane 5-ECA mit einer zusätzlichen auf 21 t Startmasse vergrößerten ESC-A Oberstufe in diesen Orbit.(Leermasse 4,0 t mit Kopplungssystemen). Nun koppelt sie an den Mondlander an und befördert ihn in eine exzentrische Erdumlaufbahn von 300 x 22.000 km.

Ein dritter Start bringt eine neue ESC-A Oberstufe in diesen Orbit. Sie koppelt an und befördert den Mondlander auf einen Fluchtkurs. Der 20 t schwere Mondlander zündet am Mond angekommen seine eigenen Triebwerke und erreicht eine Mondumlaufbahn. Danach wiegt er noch 15.5 t – genauso viel wie der Apollo Mondlander. Es gibt auch noch Spielraum für Optimierungen. So liefern die beiden ESC-A stufen z.B. 400 m/s mehr Geschwindigkeit als benötigt. Ideal wäre ein optimiertes System bei dem der Mondlander auch mit kryogenen Treibstoffen arbeitet und man die Treibstoffe umpumpen könnte. Zusammen mit dem höheren spezifischen Impuls könnten dann drei Starts rund 18 t in eine Mondumlaufbahn abliefern.

So ginge das auch bei den anderen Starts für das CSM. Da hier der größte Teil auf Treibstoff entfällt, würde man wahrscheinlich eine Raketenstufe und ein Modul mit der Lebenserhaltung separat starten. Die eigentliche Kapsel wäre dann schwerer, weil sie erst im Mondorbit mit dem CSM koppeln würde und so für 4 Tage Lebenserhaltung bieten muss und auch eine kleine Antriebseinheit braucht, um in den Mondorbit zu gelangen. Zwei Starts reichen aber auch hier aus um eine 10 t Kapsel zum Mond zu bringen.

In der Summe ist so ein Saturn V Start durch rund 7 Starts einer Ariane 5 zu ersetzen. Eine Ares I+V Kombination durch etwa 10-11 Starts.

Die Frage ist: Ist dies logistisch Möglich? Einfache Antwort: Natürlich! Heute liegen zwar rund einen Monat zwischen zwei Starts einer Ariane (gleiches gilt auch für andere Träger). Doch das liegt daran, dass es nur eine Startrampe gibt. Bei Schwerlastraketen braucht man noch mehr Zeit für einen Start: Für die Saturn V gab es für maximal 5 Starts pro Jahr zwei Startrampen. Wer aber bitte sagt, dass man nur eine Startrampe benutzen muss? Als die USA ihre Aufklärungssatelliten im wöchentlichen Abstand starteten, gab es fünf Startrampen für die Thor in Vandenberg. Auf einer saß immer ein CORONA Satellit startbereit um in 24 Stunden im Orbit zu sein. Analog kann man mit einigen Startrampen mehr ohne Problem die Starts für einen Mondflug in einem Monat durchführen. Die Alternative dazu ist internationale Kooperation: Mit der Nutzung von je einer Atlas V, Delta IV, H-, Ariane, Proton und Zenit kann man z.B. alle Module innerhalb von wenigen Tagen starten. Das ganze ist allerdings organisatorisch aufwendiger, da dann die höchste Erdinklination das Bahnregime diktiert.

Ich glaube allerdings nicht so recht an internationale Kooperation. Die Durchführung der Starts wäre aber ein guter Weg wie jeder Partner Leistungen in das Unternehmen einbringen könnte. Realistischer weise würde es bei internationale Kooperation wohl auf die USA-Europa-Japan hinauslaufen. Russland hat derzeit nicht mal die Mittel ihre eigenen Module für die ISS zu starten und China will einen eigenen Weg gehen.

Natürlich ist dieses Konzept nicht „sexy“, aber sie hat enorme Vorteile. Was ist an Investitionen nötig? Es muss ein Kopplungsadapter und eine automatische Ankopplung entwickelt werden – anders als zu Apollo Zeiten ist das aber inzwischen Stand der Technik. Das ATV und die Progress koppeln automatisch an, ohne menschliche Eingriffe. Es sind vielleicht ein paar Startplattformen nötig und Integrationsgebäude. Doch das sind Peanuts verglichen mit den Entwicklungskosten der Ares V. Die Ares I Entwicklung alleine kostet schon 16.6 Milliarden Dollar. Es ist unwahrscheinlich, dass die Ares V weniger kostet. Nehmen wir mal 30 Milliarden Dollar an und auch, dass die optimistischen Startkosten von 500 Millionen zutreffen: Dann würden 11 Ariane 5 Starts rund 1500 Millionen pro Start mehr kosten – erst mal. Nach 20 Mondlandungen wäre man also bei 0 angekommen. Glaubt aber jemand ernsthaft, wir sehen 20 Mondlandungen? Also ich nicht.

Gemäß der normalen Erfahrungskurve sind aber mehr durchgeführte Starts billiger. Bei einem Wert von 0,8 für die Potenz bei der Erfahrungskurve, ein in der Betriebswirtschaft üblicher Wert, kosten die derzeit rund 6 Starts pro Jahr rund 30 % weniger als nur ein durchgeführter Start pro Jahr. Zwei Mondlandungen pro Jahr würden die Zahl auf rund 26-28 steigern. Dann kostet ein Start etwa 27 % weniger als heute, Oder eine Mondlandung kostet rund 1100 Millionen mehr als mit einer Schwerlastrakete, Dabei beruht dieses Konzept auf den optimistischen Angaben der NASA von 500 Millionen pro Start Da eine Delta IV Heavy mit nur drei RS-68 und einem RL-10 schon 250 Millionen kostet, kann ich dem eigentlich nicht so echt glauben.

Ich halte das Konzept für vernünftig und zeitgemäß: Die Saturn V war es zu ihrer Zeit, als die Kopplung im All als riskant galt und überhaupt eine Mondlandung an der Grenze des technisch machbaren. Heute ist das anders. Wenn die NASA eine neue Trägerakte dafür entwickelt zeigt sie nicht Innovation oder das Bestreben einen Auftrag optimal, d.h. mit möglichst kleinen Kosten durchzuführen. Nein sie beweist nur wieder einmal die Freischeck Mentalität, die es schon immer im bemannten Raumfahrtprogramm gab: Ihr wollt eine bemannte Mondlandung? Klar wir haben da schon Pläne für neue Raketen, neue Kapseln, neue Lander, auch eine Mondbasis wäre möglich – kostet nur 170-230 Milliarden, aber der Steuerzahler zahlt es ja. Und dann kommen die Beschwerden, wenn man auf dem Mond gelandet ist und nachgefragt wird, wofür man so viel Geld ausgibt. Das gleiche wurde so beim Space Shuttle und der ISS durchgezogen. Nur wage ich zu prognostizieren, dass es diesmal nicht so klappt.

Was gibt es sonst noch? Ich arbeite eigentlich von morgens bis abends am sechsten Buch „Raketenlexikon Teil 2 Nicht-US Raketen“. Derzeit bin ich mit den russischen Trägern ganz durch und habe schon für 130 Seiten Material gesammelt. Der eine oder andere mag sich fragen, warum ich so viele Bücher schreibe: Es hat mehrere Gründe. Das eine ist, dass es anders als die Website ein abgeschlossenes Projekt ist. Es wird geschrieben, redigiert, korrekturgelesen und publiziert. Die Website ist dagegen ein Endlosprojekt. das fällt mir gerade jetzt auf, wenn ich für das Buch recherchiere und zuerst mal auf die Website zugreife. Überall komme ich an Stellen wo sie nicht mehr aktuell ist, oder ergänzt werden muss. Das Buch kommt meinem früheren Konzept, einen Aufsatz zu recherchieren, schreiben und ins Netz zu stellen. Der zweite Grund ist, dass es mit jedem Buch lukrativer wird. Also ich bin mit diesem Monat recht zufrieden. Insbesondere das „Was ist drin“ Buch zieht nun an, aber auch die Raumfahrtbücher gehen gut. Letztere wahrscheinlich ein Seiteneffekt von 40 Jahre Mondlandung. Da ich ab Ende August arbeitslos bin, könnte das zumindest ein Zusatzeinkommen werden. Bei genügend verkauften Büchern sogar ein echtes Einkommen. Und als letztes habe ich nun das Haupthindernis beseitigt, weil ich zwei kompetente und gründliche Korrekturlese´r gefunden habe. So macht dann auch das Schreiben wieder viel Spaß, weil ich den Teil, denn ich anstrengend und eintönig finde so ein bisschen externalisieren kann.

So, nun muss ich mich aber noch an Start, Shtil und Volna machen….