Manche können es und manche nicht

Vor einigen Tagen hat Iran seinen ersten Satelliten gestartet – mit einer selbst entwickelten Rakete. Die genauen Daten sind nicht bekannt, doch die erste Stufe stammt von der Shahab 3, die auf Umwegen (über russische Hilfe) aus der nordkoreanischen No-Dong entwickelt wurde. Diese Rakete wurde von Nord Korea schon zu einer Trägerrakete umgebaut, doch der einzige Start vor etwa 10 Jahren führte wohl in eine zu niedrige Umlaufbahn. Die Shahab 3 wiegt etwa zwischen 15 und 16 t, wodurch die Satelliten recht klein werden, wahrscheinlich so im Bereich 100-200 kg. Nach iranischen Angaben soll es sich um einen Test  handeln. Vielleicht folgt dem dann ein Erdbobachtungssatellit: Mit 100 kg Masse bekommt man zwar keine hochauflösenden Bilder, aber Probe-A ein ESA Kleinsatellit wiegt auch nur 94 kg und macht aus 820 km Höhe Fotos mit 10 m Auflösung. In 410 km Höhe wären dann 5 m drin und mit einem etwas besseren Teleskop käme man vielleicht auf 3-4 m. Das reicht immerhin aus, um Panzer und Flugzeuge zu zählen. Wenn die Iraner dann in der ersten Stufe 4 der Sharab Raketen bündeln, kommen sie auf die 3 fache Nutzlast und schwupp ist man in einem Bereich wo kommerzielle Satelliten mit 1 m Auflösung (Ikonos) liegen.

Iran zeigt, dass Raketenbau nicht so schwierig ist, wenn man weiß wie es geht. In der Tat ist es so wie bei den Atomwaffen: Im Prinzip ist es schwieriger einen eigenen Mikroprozessor zu entwickeln, als eine Rakete zu bauen oder eine Atombombe. Der Riesenunterscheid ist nur, dass man bei einem Mikroprozessor alles was man braucht auf dem Weltmarkt kaufen kann – vom Fotobelichter für die Masken bis zur Software für den Chipentwurf, ja sogar ganze Chip Fabriken kann man sich bauen lassen. Bei Raketentechnologie und der Technologie zur Urananreicherung versucht man dagegen das zu verhindern, indem man Exportverboten verhängt.

Nun ja es gibt noch einen Unterschied: Eine Trägerrakete ist komplexer als eine einstufige Gefechtsrakete. Selbst in Europa und Amerika wird ein neues Triebwerk hunderte Male getestet, bevor es zum ersten Mal fliegt, einfach weil die Bedingungen so extrem sind und man auch heute noch an der Grenze arbeitet, was Materialen aushalten können. Trotzdem kann man auf keinem Teststand der Welt die Rakete als ganzes und die Arbeit im Vakuum oder unter Schwerelosigkeit simulieren und es sind bei den ersten Flügen mit mehr Fehlstarts zu rechnen (historisch recht gut belegt und gültig bis heute (Zenit, Ariane 5) ist die 80 % Regel bei den ersten 20 Starts: Von den ersten 20 Starts misslingen in der Regel 4-5, bis zu diesem Zeitpunkt hat der Träger eine Zuverlässigkeit von 80 %, danach wird es laufend besser´).

Heute geht es – außer bei Iran und anderen Drittweltländern – aber nicht mehr darum nm einen Orbit zu erreichen, sondern dies unter möglichst geringen Kosten. Was ist aus den vielen Ideen geworden die es im Laufe der Zeit hab die Kosten zu senken?

Es gab deren viele. Hier nur eine kleine Auswahl:

• Das OTRAG Konzept: Die Rakete besteht aus vielen kleinen Triebwerken einfachster Bauart mit Standardbauteilen. Man braucht für eine Rakete mit der Nutzlast einer Ariane etwa 1000 davon anstatt 4. Die OTRAG kam nie über 4 Triebwerke hinaus. Abgesehen von technischen Mängeln (extrem niedrige Energieausbeute und hohes Eigengewicht) dürfte eine Steuerung eines solchen Trägers nahezu unmöglich sein.
• Das Space Shuttle: Ursprünglich für den Aufbau einer Raumstation entworfen, sollte es später den Satellitentransport verbilligen. Gescheitert ist es schlussendlich daran, dass es ein bemanntes Gefährt war. Das kostete zum einen Nutzlast, vor allem aber wurden dadurch die Sicherheitsanforderungen so hoch, dass der Start unwirtschaftlich wurde. Ich bin überzeugt, das ein unbemanntes Space Shuttle heute noch fliegen würde – wenn man akzeptiert, das auf 100 Start 1-2 Verluste kommen, also so viel wie bei Trägerraketen, dann verteuert das den Start zwar etwas, aber nicht viel. Das Space Shuttle könnte aber viel öfter starten und ein Start wäre viel preiswerter.
• Die Conestoga: Entstanden durch das Bündeln handelsüblicher Castor Booster und einer PAM-D sollte eine preiswerte Trägerrakete entstehen. Geklappt hat es allerdings nicht.
• Nun SpaceX mit der Idee der Clusterung bei der Falcon 9) und der Kombination aus Wiederverwendung (bisher nicht erfolgreich bei den Teststarts) und gezieltem Verzicht auf Systeme um die Rakete zu verbilligen. Es scheint das die Firma einige Testflüge absolvieren muss, bis sie herausgefunden hat welche Systeme man doch einbauen muss und auf welche man wirklich verzichten kann.

Ale Versuche haben meist eine Gemeinsamkeit: Ein Vorwurf an die etablierten Firmen wie Lockheed, Boeing oder EADS, ihre Raketen wären unnötig teuer und kompliziert und wenn man es einfacher macht wird es auch erheblich billiger. Ich halte das für falsch. Zum einen arbeiten dort auch fähige Ingenieure an den Raketen. Diese Leute sind nicht dumm oder haben die Aufgabe etwas möglichst kompliziert zu machen. Sie versuchen in der Regel die einfachste Lösung hinzubekommen welche die Vorgaben erfüllt. Die einfachste Lösung ist in der Regel auch die preiswerteste und zuverlässigste. Vielmehr kann es vorkommen, wenn man die Kosten möglichst gering halten will, dass man zu einer unnötig komplizierten oder einer fehleranfälligen Lösung kommt. Dazu zwei Beispiele: Die N-1 hatte 30 Triebwerke, weil man die Entwicklungskosten niedrig halten wollte und große Triebwerke sind eben teuer zu entwickeln. Bei jedem der vier Fehlstarts gab es Probleme mit diesen. SpaceX meinte Entwicklungsjosten zu sparen indem es die Brennkammer beim Merlin ablativ kühlt – um festzustellen, dass dies viel umständlicher war als die normale regenerative Kühlung und später darauf umzuschwenken.

Natürlich neigen Trägerraketen, die von der NASA und dem DoD gekauft werden, dazu teurer zu werden als geplant. Doch sehe ich da nicht die Ursache in den Raketen selbst, sondern der Bürokratie und dem Overhead der sich einspielt wenn man es mit staatlichen Stellen zu tun hat. So braucht an am Cape länger und mehr Personal um eine Rakete zu starten. Die NASA bucht auch nicht einen Start den dann Boeing oder Lockheed ausführen können wann gerade Zeit ist sondern eine Serviceleistung: Start am x.y. um z Uhr – so muss man Personal bezahlen das zu anderer Zeit die Däumchen dreht. Es geht auch anders: Arianespace hat beim letzten Los einen neuen Vertrag mit EADS geschlossen: EADS liefert nun nicht mehr nur die Raketen. Sie bauen sie auch am Startplatz zusammen und integrieren die Nutzlast. Die Startkosten sollen so und durch rationellere Fertigung um 30 % sinken. Arianespace muss aber ihre Kunden auch auf dem freien Markt akquirieren und kann sich nicht auf die wenigen ESA Starts verlassen. Ich glaube wenn die NASA und DoD ihre Ausschreibungen öffnen würden – das die Nutzlast auch mit einer nicht US Trägerrakete befördert werden kann – dann würden sehr bald die Atlas und Delta billiger werden. Nur müsste eben dann die NASA wie andere Kunden auch einen Start buchen und kein Rundum Sorglos Packet.

Eine Idee die immer wieder kommt, ist die der "Low-Tech" Rakete, also einer Rakete bei der man auf teure Systeme wie Turbopumpen, Hochdrucktriebwerke etc. verzichtet. In den USA gerne als "Big Dump Booster" bezeichnet. Schaut man sich das ganze dann genauer an, so wird es eher teurer. Denn da die Nutzlast einer Rakete exponentiell abnimmt, wenn man z.B. den spezifischen Impuls absenkt, muss die Rakete viel größer werden und das frisst alle Einsparungen wieder auf. Sehr oft kommt man auf diese Idee, weil man zu den russischen Raketen schaut, die praktisch unverändert über Jahrzehnte ihren Dienst taten. Doch das hat auch seinen Grund: Zum einen kann es sich Russland nicht leisten neue Raketen zu entwickeln – Die Angara wird seit einem Jahrzehnt entwickelt, obwohl sie Triebwerke einsetzt, die es seit langem gibt. zum zweiten ist es immer noch eine andere Wirtschaft: Teuer sind Raketen durch die Arbeitszeit die in ihnen steckt. Sie werden in kleinen Stückzahlen produziert und das sehr aufwendig. Es sind umfangreiche Kontrollen und Prüfungen notwendig durch qualifiziertes Personal. Da das Lohnniveau in Russland schlicht und einfach viel geringer ist als bei uns, sind sie billiger. Ich bezweifele, dass ein Nachbau der Proton im Westen billiger wäre als eine Ariane 5 oder Atlas. Wahrscheinlich wäre eine Ariane 5 die in Russland gefertigt würde, auch zu einem Bruchteil einer in Deutschland und Frankreich gefertigten Rakete zu haben.

Ich denke das Optimum bei nicht wieder verwendbarer Technologie haben wir erreicht: Feststoffbooster als erste Stufe, eine Zentralstufe mit Wasserstoff als Antriebe und eventuell eine Oberstufe auch mit Wasserstoff. Alternativ wäre auch die Zentralstufe mit Kerosin denkbar, dann benötigt man in jedem fall eine Oberstufe. In der Fertigung kann man das kaum noch billiger machen. Preiswerter würde höchsten eine Wiederverwendung werden. Ich glaube allerdings auch, dass eine private finanzierte Rakete nicht erfolgreich sein wird. Die Entwicklungskosten sind einfach zu hoch und es gibt zu wenige Starts. Typscherweise liegen die Entwicklungskosten bei dem 50-100 fachen eines Raketenstarts. Nimmt man 30 % Gewinn pro Start ein, so müsste man 150-300 Stück durchführen nur um das Kapital selbst zurück zu bekommen. Von der Verzinsung mal ganz zu schweigen.