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Nachdem die Raumfähre Columbia beim Wiedereintritt von der
Mission STS-107 verglühte, sieht es schlecht aus für das Shuttle Programm. Anders als bei der
Explosion der Challenger, als 25 Flüge absolviert waren und der Erstflug noch keine fünf Jahre
zurücklag, ist heute die Shuttle Flotte 17 Jahre älter.
Dies ist nicht darin zu interpretieren wie manche Medien schrieben, dass die Shuttles altersschwach sind. Zwar haben alle Shuttles der NASA zwischen 22 und 11 Dienstjahre hinter sich, doch nur typischerweise 30 Flüge. Wesentliche Teile, wie Triebwerke wurden erneuert, das Shuttle nach jedem Flug eingehend inspiziert und gewartet. Die Shuttles sind so neu wie ein Auto, das man nur einmal in der Woche fährt. Wenn dieses 20 Jahre alt ist, dann hat es auch weniger Kilometer absolviert wie ein 4 Jahre altes, dass jeden Tag benutzt wurde.
Nein, die NASA steht vor einem anderen Problem: Anders als bei der Challenger Explosion ist es kein junges System, bei dem man einfach sagt "Wir machen weiter". Es muss nun auch die Frage gestellt werden ob man es durch ein neues ersetzt. Dieser Aufsatz wurde im Februar 2003 nach der Challenger Katastrophe geschrieben und reflektiert meine Gedanken über die Zukunft der Shuttle Flotte.
Als erstes fehlt ein Orbiter. Die NASA benötigte aber zum Ausbau von ISS schon alle Orbiter die verfügbar waren. Seit die ISS aufgebaut wird gibt es fast keine anderen Shuttle Fluge mehr mit anderen Missionszielen. Die Columbia war auf einer solchen Mission, als sie verunglückte. Die letzte nicht ISS Mission vorher, war die SRTM Mission vom 11.2.2000, also fast 2 Jahre zurück. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass der ISS Ausbau wie Betrieb mit nur 3 Orbitern zu schaffen ist.
Andererseits wurde der letzte Orbiter, die Endeavor vor 11 Jahren fertig gestellt. Ihr Bau war nur so problemlos möglich, weil 1 Jahr vor der Challenger Katastrophe, der letzte Orbiter die Atlantis ausgeliefert wurde. Das heißt die Produktion gerade ausgelaufen war. Würde man heute einfach so einen Nachbau veranlassen, so wäre das als wie man von Daimler verlangen würde, doch mal kurz die Produktion einer S-Klasse aus den achtziger Jahren wieder aufzunehmen: Es fehlt nicht nur die nötige Infrastruktur, es fehlt auch das Know-how der Leute, die den Shuttle entwickelt haben.
Weiterhin dürfe es Änderungen am Shuttle geben: Nach Challenger wurden die Shuttles um 7 t schwerer und die Nutzlast sank von 31.7 auf 24.9 t. Dies ist jedoch die Maximalnutzlast für einen 204 km hohen Orbit mit 28.8° Bahnneigung. Nutzlast ist aber das Gespann aus dem Space Shuttle und der beförderten "Nutzlast". Da der Shuttle selbst 75 t wiegt, nimmt die Netto Nutzlast rasch ab, wenn man höhere Bahnen anstrebt, oder andere Bahnneigungen. Zur ISS sind es z.B. nur noch 12.5 t, also knapp die Hälfte. Werden die Space Shuttles um 5 t schwerer, so sinkt die Nutzlast um 5 t. Es kann also sein, dass die Nutzlast für den Ausbau der ISS nicht mehr ausreicht, wenn gravierende Änderungen nötig werden.
Es hat in den vergangenen 20 Jahren nicht an Plänen gefehlt das Space Shuttle
System zu ersetzen. Die Probleme welche die Shuttle Flotte heute hat, sind folgende:
Wartung und Instandhaltung sind teuer und langwierig: Ursprünglich war eine hohe Startrate von 1 Flug pro Monat pro Orbiter vorgesehen. Derzeit startet die NASA einen Flug pro Orbiter alle 6 Monate, also ein Sechstel der Startrate. Der Shuttle hat sich als teuer in der Wartung erwiesen. Weiterhin steigt dadurch auch der Startpreis an. Für den ISS Unterhalt wurden 433 Mill. USD pro Shuttle Start angegeben, und dies ohne missionsspezifische Kosten.
Für viele Aufgaben braucht man den Shuttle nur bedingt. Als man den Shuttle konzipierte, ging man von einem Startpreis von 10.5 Mill. USD pro Start aus. Da war es Wurst, dass man auch für unbemannte Missionen einen Shuttle einsetzt. Nach Challenger trat ein Umdenken dahingehend ein, dass man reine Satellitenstarts aus dem Shuttle Programm strich. Doch auch heute fliegt der Shuttle viele Missionen, die man nicht bemannt absolvieren müsste. Bei der SRTM Mission war die Aufgabe der Astronauten, die Bänder im Datenrekorder zu wechseln und bei reinen Zubringerflügen zur ISS könnte man die Module auch unbemannt ankoppeln und die restlichen Arbeiten von der Stammbesatzung der ISS erledigen lassen. Man braucht bei der ISS den Shuttle eigentlich nur für den Austausch von 7 Personen gleichzeitig und dem Rückführen von Material und Experimenten. Das letztere könnten jedoch auch unbemannte Kapseln wie modifizierte Sojus Kapseln oder ein erweitertes ATV erledigen.
Mit dem Shuttle wurde aber auch eine andere Philosophie verfolgt als früher. Bei Wernher von Braun galt bei den Saturn Raketen "safety first". Eine Philosophie die schon damals auf Widerstand stieß. Man warf ihm vor unnötig Zeit und Geld zu verschwenden, indem er die Raketen unnötig robust und mehrfach abgesichert hat. Doch der Erfolg gab ihm recht. Während die Apollo Kapseln die von anderen Stellen gebaut wurden einen Brand (Apollo 1 mit dem Tod von Grissom, White und Chaffey) und eine Havarie (Apollo 13) hinnehmen mussten, flogen alle 33 Saturn 1,1B und 5 fehlerfrei.
Beim Shuttle gab es diese Sicherheit nicht. Man baute soviel Sicherheit wie man für nötig hielt, sicherte sich gegen das ab was man für wahrscheinlich hielt, jedoch nicht mehr. Man hielt es weder für möglich, dass die Gummidichtungen bei Challenger durch die Kälte nicht abdichten, so das die heißen Verbrennungsgase der Feststoffraketen austreten könnten, noch hielt man es für möglich das ein Schaumstoffteil mit hoher Geschwindigkeit ein RCC Teil beschädigen könnten, so das es sich vom Orbiter löst und beim Widereintritt das Plasma den Flügel praktisch durchschweißt.
Bei Apollo 1 und 13 konnte man die Unfallursache auf menschliches Versagen zurückführen, beim Challenger war es eine Kombination von menschlichem Versagen und einem nicht geplanten Ereignis. Bei Columbia war die Ursache nur ein nicht geplantes Ereignis. Man fragt sich nun natürlich. Wie sicher kann das Shuttle System sein? Wie viele mögliche Fehler kann es noch geben, die einen Unfall verursachen der tödlich ist. Vor allem aber: Wie sicher ist die Besatzung?
Bei Apollo gab es die Möglichkeit beim Start die Kapsel wegzuschießen. Die Kapsel war robust und überstand auch die Explosion des Versorgungsteils bei Apollo 13. Beim Shuttle System sind die Möglichkeiten die Besatzung nach dem Start zu retten sehr beschränkt. Es gibt zwar Notausstiege, doch die nutzen nur während der ersten Startphase etwas und nur, wenn die Besatzung genügend Zeit hat sie zu erreichen. Stattdessen bestehen wichtige Teile der Struktur des Shuttles aus unzähligen Einzelteilen wie den Hitzeschutzkacheln. Eine Ausfall weniger Teile an der Unterseite oder eines Teils an der Kante bewirkt, das der Orbiter verglüht.
Es kann also dazu kommen, dass man den Shuttle nur noch für die notwendigsten Flüge einsetzt und keinen neuen Orbiter baut. Bush hat angeordnet, dass die Shuttles nur noch die ISS fertig stellen sollen und dann 2010 außer Dienst gestellt werden.
Es hat in
den letzten 20 Jahren nicht an Versuchen gefehlt einen
Nachfolger für den Shuttle zu finden. Unter Reagan gab es die Initiative einen mittels
staustrahlangetriebenen Jet zu bauen. Dieser hätte Mach 6-12 erreicht und hätte mit einem
weiteren Raketentriebwerk auch einen Orbit erreichen können. Anfang der neunziger Jahre wurde die
Entwicklung eingestellt, nicht weil man Probleme mit den Staustrahltriebwerken hatte, sondern die
bei den hohen Geschwindigkeiten in der Restatmosphäre auftretenden Temperaturen und Kräfte nicht
in den Griff bekam.
Ende der neunziger gab es seitens Lookheed und der NASA weitere
Tests mit einem ähnlichen Ansatz, doch da nach Jahren der Planung war klar, dass man es nicht
einmal auf dem Papier es fertig bringen würde den Orbiter (ohne Nutzlast) in eine Umlaufbahn zu
befördern. Er war zu schwer. So wurden beide Projekte im Jahre 2000 eingestellt.
Wenn man heute ein neues Shuttle Programm planen würde, so wird es sich nicht technologisch vom derzeitigen unterscheiden. Die Alternativen, die man schon im Jahre 1971 erörterte scheiden auch heute aus, wie eine wiederverwendbare Unterstufe die wie ein Flugzeug startet und landet. Wenn der vergleichsfache kleine Shuttle Orbiter heute sehr teuer ist, so ist dies eine technisch noch komplexere Lösung erst recht.
Ein Nachfolger für den Shuttle muss den Finanzen der NASA Rechnung tragen, die nicht das Geld hat für völlig neue Technologien. Alle bisherigen Versuche der NASA Gelder für einen Nachfolger zu bekommen scheiterten, weshalb man vor dem Unglück der Columbia davon ausging, dass die derzeitige Flotte bis zum Jahre 2015-2020 ohne Nachfolger bleibt.
Derzeit verdichten sich die Hinweise, dass die Space Shuttles noch weiter Dienst tun werden, aber die Flotte modernisiert wird. So fand am 23.10.2003 der erste Test eines 5 Segment Shuttle Boosters statt. Die bisherigen Shuttle Booster sind 4 Segmente lang. Der neue Booster ist 8.33 m länger und wiegt 188 t mehr. Obgleich betont wurde, dass es keine Pläne gibt diese im Shuttle Programm einzusetzen, bietet sich mit diesen neuen boostern natürlich auch neue Möglichkeiten das Shuttle System zu modernisieren. Man könnte mehr Treibstoff mitführen, wodurch die Nutzlast ansteigt. Nach Berechnung des Autors würde die neuen Booster alleine die Nutzlast auf 38 t anheben. Würde man mehr 60 t mehr Treibstoff mitführen (durch den höheren Startschub möglich), so wären es 44 t. Das Zusatzgewicht von 20 t könnte natürlich auch genutzt werden die Shuttles zu modernisieren.
Der Shuttle ist so teuer weil er so groß ist. Er ist so groß weil er 25 t Nutzlast transportiert und pro Tonne Nutzlast 2 t Struktur des Shuttles kommen. Die Mannschaftskabine würde, wenn man sie weglassen würde nur die Leermasse um 15 t senken.
Es ist an der Zeit sich klar zu machen, dass ein unbemannter Transport preiswerter als ein bemannter ist. Betrachtet man sich die Shuttleflüge die noch anstehen, so sind dies vor allem Versorgungsflüge zur ISS. Nur um Module und Zubehör zu transportieren benötigt man keinen Shuttle. Die USA haben derzeit 3 Trägerraketen welche dieselbe Nutzlast wie der Space Shuttle aufweisen, jedoch weniger als die Hälfte eines Shuttle Starts kosten: Die Delta 4, die Atlas V und die Titan 4. Sie könnten Module für die ISS transportieren.
Die automatische Kopplung ist seit Jahren Routine bei den Progress Kapseln und wird auch bei dem europäischen ATV genutzt werden. Ein Modul müsste nur einen eigenen Antrieb besitzen. Dieses ist kein unüberwindliches Hindernis, zumal die USA dazu die Delta Oberstufe mit ihren lagerfähigen Treibstoffen nutzen könnten, oder das Antriebsmodul des ATV.
Bleibt noch das Rückholen von Experimenten oder Materialen. Das kann eine unbemannte Kapsel erledigen, wie eine umgebaute Sojus Kapsel. Es ist, weil das Gewicht und Volumen sehr klein ist, auch möglich diese Dinge mit dem weiter unten beschriebenen Minishuttle zurückzuführen.
Von den Shuttle Missionen bleiben nun nur noch die Einzelmissionen wie mit dem Spacelab oder zur Reparatur von Hubble übrig. Nun die Rolle der ISS ist ja gerade, dass man damit mehr Forschung betreiben kann als auf einem kurzen Spacelab Flug. Bei den Reparaturen muss man die Wirtschaftlichkeit überdenken. Wenn eine solche nötig ist, so benötigt man aber vor allem das Können der Astronauten und keine große Nutzlast.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die USA keinen Shuttle brauchen um große Nutzlasten zu transportieren. Was der Shuttle aber leisten kann, ist bis zu 7 Personen zu transportieren und Nutzlasten zur Erde zurückzuführen. Das könnten Kapseln wie die russische Sojus nicht. Ihre Besatzung und das zur Verfügung stehenden Volumen sind sehr begrenzt.
Nun
entwickeln die USA aber gerade unter der Bezeichnung CRV (Crew Return Vehikle) ein "Rettungsboot"
für die ISS. Das ist ein Mini Shuttle zum Rückführen der Besatzung. Er wiegt nur 8 t. Eine etwas
größere Ausgabe davon, welches auch etwas Platz zum Leben bietet, würde ausreichen um sowohl
Reparaturen von Satelliten zu ermöglichen. Wie auch den Besatzungsaustausch der ISS und die
Rückführung von Experimenten. Das erinnert in etwa an Hermes, der auch geplant war als ein
europäischer Shuttle, aber nur mit kleiner Nutzlast. Ein solcher Mini Shuttle hätte nicht wie der
derzeitige Shuttle die primäre Aufgabe Nutzlast zu transportieren, sondern Personen. Nimmt man
Hermes als Basis, so wäre dieser Shuttle ca 20-25 t schwer, könnte also mit den derzeit
verfügbaren Trägerraketen der USA gestartet werden, was die Kosten reduzieren würde.
Man würde hierbei Lehren aus dem Shuttle Programm ziehen. Die Shuttles sind deswegen in der Wartung so teuer, weil sie gebaut wurden unter der Annahme, dass Materialen sehr teuer sind. So besteht der Hitzeschutzschild aus 20.000 Kacheln. Jede einzelne individuell geformt. In der Praxis ist es wesentlich teurer alle Kacheln nach dem Flug zu überprüfen und evt. defekte auszuwechseln, als einen Hitzeschutzschild aus größeren Teilen im ganzen auszuwechseln. Man unterschätze den Arbeitsaufwand und die Personalkosten von 1500 Personen die nur für die Wartung notwendig sind, völlig.
Nun man könnte diese weiterhin nutzen für Spacelab Missionen, doch ich sehe darin keinen echten Sinn. Schon in den achtzigern gab es seitens der NASA Pläne für einen unbemannten Shuttle-Carrier (Shuttle-C). Damals erschienen die Shuttles nicht ausreichend für die Unmengen an Waffen die man im Rahmen des SDI Programms transportieren sollte. Die NASA errechnete, dass wenn man alle Systeme entfernt, welche die Besatzung braucht, man die Nutzlast auf 45 t steigern könnte. Würde man 4 anstatt 2 Feststoffbooster verwenden, so wären es sogar 65 t, bei minimalen Kostensteigerungen. Ich denke, es gäbe sogar Einparungen, da ein Großeil der Wartung wegfällt. Es gibt keine Mannschaftskabine mehr, keine Lebenserhaltungssysteme, die immer zuverlässig funktionieren müssen etc.
Damit würden die USA über einen Schwerlasträger verfügen, der bei dieser Nutzlast sogar wieder preislich lukrativ wäre. Natürlich gibt es derzeit keine Nutzlasten für ein solches System, wenn man jedoch wirklich einen Flug zum Mars plant (Ich denke nicht in der näheren Zukunft, doch man weiß ja nie). Dann könnte man diese Shuttles entmotten und dazu nutzen. Sonst müsste man eigens eine Schwerlastrakete entwickeln. Als SDI Anfang der neunziger begraben wurde, gab es auch in den USA keinen Bedarf an einem HLV (Heavy Launch Vehikle), so dass diese Pläne nie umgesetzt wurden.
Ich möchte betonen, dass dies keine NASA Pläne sind, sondern Gedanken von mir. Sie basieren jedoch auf schon in der Entwicklung sich befindlicher Hardware (CRV), vorhandenen Trägerraketen (Atlas V, Delta 4, Titan 4) und Plänen welche die NASA schon entwickelt hat. Ich glaube auch, das die Kombination von unbemannten Starts von Nutzlasten und reinen Flügen einer Besatzung in einem kleinen Shuttle insgesamt preiswerter ist als das derzeitige Shuttleprogramm, das bei 6-8 Flügen pro Jahr die NASA 3.2 Mrd USD kostet.
Es sind nun 2 Jahre vergangen seit ich den oberen Teil dieses Aufsatzes geschrieben habe und ich will auch die Änderungen eingehen, die seitdem bekannt wurden.
Nachdem die Ursache der Columbia Katastrophe klar wurde herschte erst mal Ratlosigkeit. Ursache war ein leichter etwa 1 kg schwerer Schaumstoffbrocken, der ein großes Loch in die RCC Panels der linken Flügelvorderkante gerissen hatte. Diese Panels waren eigentlich die belastbarsten Teile des Spacehsuttles und bestanden aus kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Bei 800 km/h rissen Schaumstoffteile bei Schussversuchen aber 40 x 40 cm große Löcher in die Panels.
Natürlich gibt es wieder für über 2 MRD USD eine Überholung der Raumfähren, Verbesserungen der Sicherheit. Der Start einer Raumfähre ist derzeit ür den Mai/Juni 2005 geplant. Doch resigniert stellte die Untersuchungskommission auch fest, dass man sich vor einem solchen Unfall nicht vollständig schützen kann und somit jeder Shuttle entweder im Orbit repariert werden muss oder nur noch Missionen möglich sind, bei denen die Besatzung ein sicherers Quartier ansteuern kann. Da das erste praktisch nicht finanziell und technisch machbar ist, wird es in Zukunft nur noch Flüge zur ISS geben. Mehr noch: Sobald diese fertiggestellt ist, also etwa 2009 werden die Space Shuttles aus dem Dienst gezogen. Das bedeutet indirekt auch den Tod der ISS, denn zwar kann man mit dem europäischen ATV und japanischen HTV Fracht transportieren, aber die russischen Sojus Kapseln, die dann alleine die Besatzung befördern können keine Experimente befördern, keine sperrigen Module die defekt sind. Die ISS wird altern und nach und nach außer Betrieb genommen werden müssen. Im Jahre 2010 werden die letzten verbliebenden Shuttles eingemottet und die bemannte Raumfahrt in den USA zumindest für einige Jahre eingestellt. Denn ein Shuttle Nachfolger der bis dahin einsatzbereit sein soll muss etwa 8-10 Jahre vorher entwckelt werden. Derzeit gibt es aber kein Projekt für einen Nachfolger.
Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.
Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.
Mein erstes Buch,
Das Gemini Programm: Technik und Geschichte
Mein zweites Buch,
Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation
Das Buch
Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation
Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.
Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.
Das bisher letzte Buch
Skylab: Amerikas einzige Raumstation
Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert. Die Bücher kann man auch direkt beim Verlag bestellen. Der Versand ist kostenlos und wenn sie dies tun erhält der Autor auch noch eine etwas höhere Marge. Sie erhalten dort auch die jeweils aktuelle Version, Bei Amazon und Co tummeln sich auch die Vorauflagen.
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