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Web Log Teil 217: 7.3.2011 - 12.3.2011

Dienstag den 7.3.2011: Das Moor'sche Gesetz

Sicher kennt der eine oder andere das Moor'sche Gesetz. 1965, als die integrierte Schaltung noch jung war, prognostizierte Gordon Moore, damals noch bei Fairchild, dass sich die Zahl der Transistorfunktionen einer integrierten Schaltung alle 12 Monate verdoppeln würde.

Das war etwas optimistisch, denn wie immer wenn es einen technischen Durchbruch, gibt war die Zuwachsrate enorm hoch, später flachte sich das wieder ab und 1975, zehn Jahre später korrigierte er sich auf 24 Monate. In der Praxis ist zumindest bei Intel eine Verdopplung etwa alle 20 Monate eingetreten.

Wie lange wird dies noch so weitergehen? Es gibt zwei möglich Antworten. Das eine ist die technisch und wirtschaftlich mögliche Weiterentwicklung und die andere die physikalisch mögliche. So gibt es auch zwei Prognosen: Gordon Moore meinte 2007 es würde noch 10 bis 15 Jahre weitergehen, während Patt Gelsinger es bis 2029 als gültig ansieht. Ich denke das entspricht bei Gordon dem was wirtschaftlich umsetzbar ist und Gelsinger dem was überhaupt möglich ist.

Macht man eine Prognose von den derzeit aktuellen Strukturbreiten von 32 nm auf 2017, 2022 und 2029, indem man annimmt, es wird so weitergehen wie die Steigerung in den letzten 6 Jahren (90 nm), 11 Jahren (180 nm) und 18 Jahren (800 nm), dann entspricht das Strukturbreiten von 1,28, 5,7 und 11,4 nm.

Das ist jenseits dessen, was heute technisch möglich ist. Was derzeit angestrebt wird, ist die EUV Belichtung, die mit 13 nm Wellenlänge arbeitet, dabei ist es schon heute möglich Strukturen zu fertigen, die deutlich kleiner als die Wellenlänge sind. Allerdings rechnen alle damit, dass die EUV Fertigung die Herstellungskosten rapide ansteigen lässt. Für die niedrige Wellenlänge muss man hoch präzis geschliffene Spiegel einsetzen. Linsen sind nicht mehr einsetzbar. Die gesamte Fertigung muss im Vakuum erfolgen, weil die Strahlen absorbiert. Dazu braucht man Extrem-UV Laser, weil dies die einzige mögliche Strahlenquelle ist. Die haben einen geringen Wirkungsgrad.

Das zweite sind die physikalischen Grenzen. Wo die liegen, weiß ich nicht. Der Grund ist recht einfach: In der Natur gibt es nicht Silizium mit dünnen Oxidschichten oder Silizium mit dünnen Alumniumbahnen. Es gibt Silizium nur in oxidierter Form oder es ist auch stabil als Metall. Aber es gibt keine Mischform und keine Verbindung mit Aluminium. Das gilt auch für viele andere Elemente. Was es aber gibt, sind dünne Oxidschichten auf Metallen die sich am Luftsauerstoff ausbilden. Die Oxidschicht nimmt zu, bis sie das darunter liegende Metall vor Oxidation schützt. Bei Aluminium hat sie eine Dicke von 10 nm. Daher würde ich annehmen, dass isolierende Schichten in dieser Größenordnung liegen müssen. Das würde für die beiden ersten Werte von etwa 6 und 11 nm sprechen. Die Weiterentwicklung bis zu 1,28 nm würde voraussetzen, dass schon viel kleinere Schichten isolierend wirken.

Wovon beide Grenzen noch weit entfernt sind, sind atomare Dimensionen. Eine Si-Si Bindung hat eine Länge im Bereich von etwa 0,15 nm, also nochmals zehnmal kleiner. Ich denke in wenigen Jahren werden wir sehen ob Moore oder Gelsinger recht behalten. Ich würde keine Wetten abschließen, weil ich denke, im Halbleiterbereich Prognosen wie die Technologie in 5-20 Jahren aussieht recht schwer sind. Die 5 Jahresfrist erscheint mir noch als Prognosemöglichkeit basierend auf der derzeitigen Technologie möglich, aber 20 Jahre? Ob man basierend auf der Technologie in der der 486 entstand wohl die heutige Technologie und die Prozessoren hätte prognostizieren können?

Mein Tipp wäre wohl der Mittelweg, also das Ende 2017 mit Strukturbreiten von rund 5-6 nm.

Mittwoch 9.3.2010: Space Shuttle 2.0

Zeit mal wieder für eine meiner "technischen Spinnereien" Was würde geschehen, wenn die NASA auf die Idee käme, als Nachfolgesystem für das Space Shuttle eines neues zu entwerfen? Aus finanzieller Sicht sind alle Nachfolgeprojekte zur Versorgung der Raumstation ja teurer, wie schon im Blog diskutiert. Leider genügt das Space Shuttle nicht mehr den Sicherheitsanforderungen der NASA.

Fangen wir erst mal an, was es nicht sein wird. Es wird sicher nicht ein zweistufiges bemanntes Gefährt sein, wie bei den ersten Entwürfen des Space Shuttles vorgesehen. Die Entwicklungskosten von zwei bemannten Stufen sind zu hoch und das Risiko ist dann verdoppelt, auch wenn bei flüssigen Antrieben in beiden Stufen wenigstens ein Problem des Space Shuttles gelöst ist - er kann nicht abgetrennt werden solange die SRB arbeiten. Antriebe mit flüssigen Treibstoffen können jederzeit abgeschaltet werden.

Das gleiche gilt für die einstufige Lösung, die mal unter der Bezeichnung "Venture Star" angedacht wurde. Das setzt enorme Anforderungen an die Leichtbauweise. Venture Star hätte bei 1088 t Startgewicht nur 99 t leer gewogen und dies für ein Gefährt das mit Hitzeschutzschilden den Widereintritt überstehen soll. Ich halte das nicht für realisierbar, zumal Das Gefährt ja nur unbemannt ausgelegt war - mit einer Besatzung und den dafür notwendigen Systemen dürfte dann die Nutzlast gegen Null gehen.

Was also bleibt ist eine zweistufige Lösung bestehend aus unbemannter erster Stufe und bemannter zweiter Stufe. Wie könnte die erste Stufe aussehen?

Es gäbe zwei Möglichkeiten. Das eine sind Raketen die LOX/Kerosin einsetzen und leistungsstarke Triebwerke. Sie haben den Vorteil dass sie besser überwacht werden können und eine große Zeitspanne bieten zwischen den ersten Anzeichen einer Fehlfunktion und einer Lage in der die Gesundheit der Besatzung gefährdet ist. Selbst dann können sie abgeschaltet werden. Der große Nachteil: Es ist bisher noch keine Bergung dieser Stufen geglückt. Einen Aufschlag der heißen Triebwerke mit mechanisch beweglichen Teilen aufs Meer nur gebremst durch einen Fallschirm halte ich für sehr problematisch. Was heute aber technisch machbar ist und auch bei anderen Projekten untersucht ist, ist der Rückflug mit einem Düsentriebwerk zurück zum Startplatz und die Landung dort. (Ariane 5 Flyback Booster, Baikal ....)

Das zweite sind Feststoffbooster. Feststoffbooster sind bei Laien unbeliebt, aber sie haben die Fakten auf ihrer Seite. Sie sind erheblich zuverlässiger als die Triebwerke mit flüssigen Treibstoffen (ich kenne nur 4 Fehlstarts aufgrund des Versagens von Feststoffboostern), daher waren sie auch für die Ares I als erste Stufe vorgesehen. Sie sind noch dazu preiswert und überstehen die bisherige Wasserung von allen Stufen am besten. Die Fortschritte in der Technologie lassen heute auch höhere Brennkammerdrücke zu (höherer spezifischer Impuls) und die Reduktion der Leermasse (CFK-Bauweise). Das würde die Nutzlast des Space Shuttles um rund 4 t steigern. Trotz hoher Kosten bei bemannten Systemen kostet ein Paar der Booster für den Start "nur" etwa 70 Millionen Dollar. Und dabei hat jeder den Schub von vier Atlas V oder Delta IV Raketen - das zeigt dass sie aus Kostengründen sicher auch bei einem Shuttle 2 in der engeren Wahl sind.

Die Lösung mit dem externen Tank wird wahrscheinlich auch bleiben. Denn es ist die preiswerteste denkbare Lösung. Ich vermute aber man wird nach den Erfahrungen mit dem ET wieder auf die Lösung bei der Saturn V umschwenken wo die Isolation im Inneren der Tanks angebracht war. Weitere Optimierungen würden darin bestehen den Tank komplett in der Legierung 2195 zu fertigen, bisher wird damit nur der Wasserstofftank produziert und die Zwischentankteile aus CFK-Werkstoffen herzustellen. Da der Tank fast einen Orbit erreicht kann so die Nutzlast gesteigert werden. Ich schätze der Tank könnte um 3 t leichter werden, was die Nutzlast in gleichem Maße erhöht.

Der Shuttle kann heute leichter gefertigt werden als der derzeitige. Da er in den Orbit gelangt bringt, dies auch mehr Nutzlast. Ich denke es wird viele Detailverbesserungen geben wie einen Hitzeschutzschild aus weniger Kacheln, eventuell wird man auch bei den Haupttriebwerken wieder einen Gang zurückgehen - wenn man den Shuttle leichter bauen kann und die SRB mehr Leistung bringen (LOX/Kerosinstufen auf jeden fall), dann benötigt man keine Triebwerke nach dem Staged-Combustion Prinzip, obwohl sich die derzeitigen Triebwerke natürlich bewährt haben.

Der entscheidende Unterschied würde ich aber in einer anderen Nase sehen: Das grundsätzliche Problem des Shuttles ist das in der Systemsicherheit immer schlechter als eine Kapsel dastehen wird. Eine Kapsel wird sich bei geeigneter Form alleine durch den Widerstand so drehen, dass sie den Hitzeschutzschild in die Flugrichtung dreht. Selbst wenn dem nicht so ist, bei der kleinen Fläche ein vollkommener Schutz (also die Bedeckung der gesamten Oberfläche) mit einem Hochtemperaturschuld lein Problem. Aufgrund des kleinen Volumens ist sie strukturell stabiler zu fertigen, da das Zusatzgewicht nicht so ausschlaggebend ist wie bei dem zehnmal größeren Orbiter und sie kann auch notfalls von einem Fluchtturm in Sicherheit gebracht werden ohne durch die dabei entstehenden Kräfte in Stücke gerissen zu werden.

Warum also nicht beides verbinden? Die Nase des Shuttles sollte eine kleine Kapsel sein, deren Boden eine Luke zum Orbiter hat. Das die Luke im Hitzeschutzschild ist, macht nichts aus. Das war für MOL so vorgesehen und die USAF hat eine umgebaute Gemini Kapsel mit einer Luke im Hitzeschutzschild auch im Orbit getestet und wieder geborgen. Beim Start ist an der Kapsel ein Fluchtturm angebracht. Die Besatzung sitzt beim Start in der Kapsel. Nach Abtrennung der ersten Stufe wird der Fluchtturm abgetrennt. Nun könnte der Shuttle bei einer Havarie sich vom ET lösen und zur Erde zurückgleiten bzw. bei einer noch problematischeren Situation könnte man die Kapsel absprengen und mit Fallschirmen landen. Dazu gibt es am Boden der Kapsel weitere Triebwerke zum Absprengen und an der Seite weitere zum Drehen oder für kleine Kurskorrekturen. Für die bessere Aerodynamik kann die Kapsel, solange sie am Shuttle noch befestigt ist von einer dünnen aerodynamischen Verkleidung umgeben werden.

Erst im Orbit angekommen steigt die Besatzung in den Orbiter um. Sie kann auch jetzt noch mit der Kapsel landen  z.b. wenn der Orbiter von Weltraummüll oder chinesischen Weltraumwaffen getroffen wird. Auch beim Wiedereintritt sitzt die Besatzung in der Kapsel, falls eine versteckte Beschädigung der Struktur, wie bei der Columbia, zur Zerstörung des Orbiters bei dem Wiedereintritt führt.

Natürlich muss das Shuttle dann automatisch landen, da die Besatzung noch in der Kapsel ist. Aber das kann es schon (es wird nur technisch durch das manuelle Ausfahren des Landefahrwerks verhindert) und X-37B und Buran zeigen auch das es geht. Das wäre das optimale: so sicher wie eine Kapsel und so flexibel wie der Shuttle.

Ich denke sogar, dass dieses System noch wirtschaftlicher sein könnte als das Shuttle. Schaut man sich die Kosten des Programmes an, so fällt auf das jeweils nach nach den beiden Katastrophen dauerhaft die Flugkosten anstiegen und die Flugrate sank. Gerade bei den letzten Flügen sah man das: Irgendwo bricht ein kleines Schaumstück ab und die Flotte steht für Wochen am Boden. Das ist das Bestreben jedes Risiko zu vermeiden, weil es in dem Falle einer Havarie keine Rettung für die Besatzung gibt. Zu den Zeiten von Apollo war dies anders. Die Saturn V wurden sicher gebaut, aber das Risiko wurde soweit reduziert, wie es sinnvoll war, und den Rest sollten der Fluchtturm und die Möglichkeit, jederzeit die Kapsel abzutrennen richten. Die NASA gab nach Columbia das LOC Risiko mit 1:80 bei ISS-Missionen (Besatzung kann in dieser Verbleiben) und mit 1:60 bei anderen Missionen (Servicemission zu Hubble) an. (LOC: Loss of Crew) Die Saturn war dagegen nur mit einer Zuverlässigkeit (Start in die Mondtransferbahn) von 0,95 entwickelt - ein Start von Zwanzig würde statistisch schiefgehen. Das ist ein typischer Wert für eine Trägerrakete.  Wäre dies auch das Risiko für die Besatzung so würde dies keiner akzeptieren. Doch das Risiko der Besatzung war dank des Fluchtturms und anderer Maßnahmen nur bei 1:1000. (Ich will hier keine Diskussion über diese theoretischen Größen lostreten, aber es gibt nun mal wegen der wenigen Flüge keine statistisch hinreichend abgesicherten praktischen Werte).

Hier mal eine Vision von mir: Ein Shuttlesystem mit einer Sicherheit wie es vor Challenger vorlag (1:27) - aber auch den damaligen Startkosten (inflationskorrigiert umgerechnet etwa 210 Millionen Dollar). Rein Statistisch geht jeder 27.ste Flug schief. Dann muss für 3 Milliarden Dollar ein Orbiter nachgebaut werden - das ergibt dann Gesamtkosten von 321 Millionen Dollar - also erheblich weniger als heute eine Mission kostet, weil so viele Tests und Prüfungen anfallen, und trotzdem ist das Shuttle "nur" dreimal sicherer. Die Sicherheit kommt dann nicht durch zig Tests bei einem inhärent anfälligen und fragilen System, sondern einer zusätzlichen, als hinreichend sicher angesehenen Fluchtkapsel und  einem Fluchtturm. Ich glaube auch dass man durch noch so viele Tests, Qualitätsaudits und Startverschiebungen bei kleinsten Anlässen nicht die Sicherheit entscheidend verringert - denn was Columbia zeigt ist: es gibt immer ein Restrisiko an das keiner gedacht hat.

Für 321 Millionen Dollar kann heute nicht mal SpaceX die rund 11 t Nutzlast, die heute mit einem MPLM und einer Palette zur Station gebracht werden, befördern. Die wollen für diese Frachtmenge rund 880 Millionen Dollar. Dabei fliegt die Mannschaft noch nicht mit. Würde man die mit russischen Sojus starten so müsste die NASA nochmals rund 300 Millionen Dollar berappen.

Ich habe im folgenden mal zwei Konfigurationen durchgerechnet. Sie basieren auf folgenden Annahmen:

System Nutzlast
Space Shuttle 24,6 t
Space Shuttle 2 31,8 t
Space Shuttle 2 5 Segment Booster 41,5 t
Space Shuttle 2 2 Energija Booster 21,9 t
Space Shuttle 2 4 Energija Booster 51,5 t

Alle vier neuen Systeme wären zur Versorgung der ISS geeignet (da die Flüge regelmäßig erfolgen, würde der Transport eines MPLM mit 9 t Fracht und einer Nutzlastanforderung von 15 t (inklusive Koppeladapter) ausreichen. Die Rechnung ist relativ konservativ. So besteht mehr als 60% des Orbitergewichts aus Aluminium und das Ersetzen der Legierung 2219 beim Tank wurde nicht mit berücksichtigt. Denkbar wären auch OMS Triebwerke mit höherem spezifischen Impuls (z.B. die von der EPS Oberstufe) alles zusammen gibt sicherlich weitere 4-5 t Nutzlast. Doch es geht ja nur um eine "Hausnummer".

Bei einem unbemannten System wäre übrigens das Design ein anderes: Da würde man die erste Stufe als Gleiter bauen und die zweite als Wegwerfstufe - Schließlich gelangt bei diesem Konzept immer noch der Orbiter mit in die Umlaufbahn und der wiegt doppelt so viel wie die Nutzlast.

10.3.2011: Die Nachrichten

Gestern schaue ich mir die Nachrichten an. Erst "Heute", dann weil ich es nicht glauben kann die "Tagesschau". Das kam gestern:

  1. Merkel und Co beschimpfen sich gegenseitig beim politischen Aschermittwoch
  2. E10 Sprit verkauft sich immer noch nicht richtig
  3. Lokomotivführer beginnen heute Nacht einen Streik
  4. Maiziere inspiziert Kaserne
  5. In Libyen tobt weiter heftiger Bürgerkrieg. Regierung und Rebellen melden beide Erfolge.
  6. In Ägypten demonstrieren zahlrieche koptische Christen wegen einer Benachteiligung ihrer Religion. Gestern wurden von Islamisten 13 Christen ermordet
  7. Discovery landet in Cape Canaveral und geht ins Museum

Also fällt nur mir was auf? Das die Politiker sich (wie jeden Tag) gegenseitig beschimpfen ist die Hauptschlagzeile. Die Angst ein Kraftstoff, der schon vor mehreren Jahren in den USA eingeführt wurde und so auch in anderen Europäischen Ländern im Einsatz ist könnte eines der 50 Millionen Heligs-Blechle eventuell beschädigen könnte, ist die Schlagzeile 2, und ein Bürgerkrieg in einem Land direkt vor Europa und der Mord an Christen in Ägypten ist so unwichtig, dass er unter ferner liefen kommt?

Okay, dann mal meine Prognose für die Nachrichten vom 11.3.2012:

  1. Westerwelle hat Durchfall - das auswärtige Amt war sechs Stunden Handlungsunfähig - siehe dazu auch der Brennpunkt im Anschluss der Sendung "Diarrhö macht Regierung handlungsunfähig"
  2. Anhebung des Strompreises um 0,5 ct empört Verbraucherschützer.
  3. Totalstreik im öffentlichen Dienst dauert an. Nach 6 Wochen wird es schwer in einigen Großstädten durch die Straßen zu kommen, da sie voller Müll stehen.
  4. 120.000 Tote nach dem Bruch des chinesischen Dreischluchtenstaudamms.
  5. Erste Schätzung nach dem durch einen iranischen Atomangriff auf Israel ausgelösten dritten Weltkriegs geht von 500 Millionen Toten aus.

10.3.2011: Rumpelstilzchen im Orbit

Helium-3 auf dem Mond, seltene Erden auf dem Mond - gibt es nicht genügend Gründe Raumfahrt zu betreiben um die Rohstoffprobleme auf der Erde zu lösen? Ich will mal ein modernes Märchen skizzieren: Auf der ISS kann durch wundersame Dinge ein Astronaut namens "R. Umpel Stilzchen" aus gemeinem Stroh Gold spinnen! Wäre damit nicht endlich bei den rapide gestiegenen Goldpreis eine sinnvolle Verwendung der ISS gefunden?

Leider nein. Der einzige Anbieter, der derzeit Fracht in nennenswerten Mengen von der ISS zurückbringen kann ist SpaceX. Sie transportieren für 1.6 Milliarden Dollar 20 t zur ISS. Angenommen sie können auch die gleiche Menge wieder zur Erde zurückbringen, so entspricht dies einem Preis von 80.000 $ pro Kilogramm. Der Goldpreis für eine Feinunze beträgt nachdem die Libyienkrise ihn mal gerade wieder hochgetrieben hat, derzeit 1.432 Dollar pro Feinunze (28,35 g). Das sind also 50.500 Dollar pro Kilogramm.

Also selbst wenn dieses moderne Märchen Wirklichkeit wird, die ISS wird nicht finanziell lukrativ. Für jedes Kilo Gold dass R.Umpel Stilzchen aus dem Nicchts produziert macht die NASA glatte 30.000 Dollar Verlust. Dabei deckt dies ja nur die Kosten des Strohtransportes. Dass die Besatzung noch Essen und Wasser und die ISS Treibstoff braucht und alleine in den USA rund 2 Milliarden Dollar Fixkosten pro Jahr verursacht. Nur mal so als Gedanke: Bekommt die Besatzung wenigstens Champagner und Austern? Bei 20.000 $ pro Gläschen sollte das doch mit drin sein...

Das ist ja nicht das erste Mal, das man die Wirtschaftlichkeit der Rohstoffgewinnung oder Produktion im Weltraum postuliert. Ich kann mich noch an Prognosen aus den späten siebziger Jahren erinnern, als ein neues System namens Space Shuttle den Transport in den Orbit auf 1.000 Dollar pro Kilo verbilligen sollte - damit sollte die Produktion wirtschaftlich werden. Sie wurde es nicht.

Andere Ideen die ich im Laufe der Zeit hörte war das Einfangen eines Eisenasteroiden und das bergmännische Abbauen der Metalle (vor allem Eisen und Nickel, also nicht mal so was wie Neodym, Silber oder Platin....). Dabei benötigt man um in den Asteroidengürtel zu kommen noch einiges mehr an Treibstoff / Technologie etc. und das ganze muss dann ja auch noch zur Erde geschleppt werden.

Die Kommerzialisierung lohnt sich nur wenn entweder einem einmaligen Transport laufende Einnahmen gegenüberstehen wie bei Kommunikationssatelliten oder es sich um extrem hochpreisige Produkte handelt die trotzdem keinerlei Infrastruktur zur Produktion brauchen. Nun hochpreisige Produkte gibt es auch auf der Erde - Medikamente, Hochleistungschips. Nur: Ohne Infrastruktur geht das nicht. Man möge sich auf der Erde mal eine Chipfabrik ansehen oder das Werksgelände von Merck oder Böhringer. Das sind dann schon ein paar Tausend Tonnen,. selbst wenn man nur die Maschinerie nimmt. Bis das Gewicht wieder reingeholt ist, muss man etliche PC's oder Viagras prodzieren.

Was kommt als nächstes? Der Transport von Wasserstoff vom Jupiter als kohlendioxidfreier Treibstoff der Zukunft oder eine direkte Pipeline zu Titan, um dort das Methan aus der Atmosphäre abzuschöpfen? Oder warum das Helium-3 nicht gleich von der Sonne holen? Wie wäre es mit einem Umspannwerk dort? Das würde die kostspielige Erforschung der Fusionstechnologie hier komplett ersparen.

Bestimmt kommt bald der Vorschlag das Bevölkerungsproblem zu lösen indem man die Chinesen auf den Mars aussiedelt und für ganz gierige ein Tipp: Mann vermutet dass im Innern von Uranus und Neptun der Kohlenstoff in der SP3-Konfiguration mithin als Diamanten vorliegen. Allerdings denke ich dürfte der Preis etwas bröckeln, wenn Diamanten nicht mehr in Karat, sondern in Tonnen gemessen werden....

Samstag 12.3.2011: Nix investiert

Da ja gerade die Discovery von ihrem letzten Flug zurückkehrte und ich gerade beim Bearbeiten der zweiten Auflage des Raketenlexikons bei den Shuttle Oberstufen bin, fiel mir was auf: Was unterscheidet ihr Häusle von dem Space Shuttle (oder wenn's schlecht läuft was unterscheidet es nicht?) Nun wenn es gut läuft, dann wurde ihr Haus nicht nur innen schick modernisiert und erhielt neue Unterhaltungselektronik. Sondern es wurde energetisch aufgewertet, erhielt eine sparsamerer Heizung, wurde isoliert etc.

Was das mit dem Shuttle zu tun hat? Nun lesen Sie weiter und sie werden schlauer. Natürlich erhielt das Space Shuttle ein neues Schickes Cockpit mit modernen Bildschirmen (die aber immer noch von den AP-101F Bordrechnern mit Daten versorgt werden...  Auch sonst gab es beim Space Shuttle zahlrieche Upgrades - vor allem am Orbiter. Sie können aber in zwei Gruppen zusammengefasst werden: Mehr Sicherheit für diue Mannschaft oder vereinfachte Wartung und damit geringere Wartungskosten.

Was es aber nicht gab - und zwar über dreißig Jahre war ein Performance Upgrade - schaut man sich mal die Trägersysteme im Westen an (nicht im bankrotten Russland, wo das Geld fehlt) dann wurden diese in der Leistung gesteigert und das geht auch bei einem System wo man keine radikalen Änderungen durchführen kann. Hier mal die versäumten Chancen der NASA:

Orbiter: 109% Schubnviveau der Triebwerke - gestrichen. Wie bei jedem Fluggerät ist es von Vorteil möglichst schnell zu beschleunigen um die Gravitationsverluste zu verringern. Das 109% Schubniveau war das Niveau für das die Triebwerke schon während der Entwicklung qualifiziert wurden, das 112% Schubniveau war das höchste getestete und für Flugabbrüche vorgesehen. Die NASA beschränkte sich nach Challenger mit dem 104,5 % Schubniveau, was natürlich Performanceinbußen mit sich bringt. Ich habe leider nichts gefunden, wie es sich auswirkt, doch bei der langen Brennzeit wäre es sicher einiges. Nun ist das 109% Schubniveau nur noch für Notsituationen vorgesehen.

OMS Triebwerksmodernisierung: Die OMS Triebwerke haben einen recht niedrigen spezifischen Impuls von 3021 m/s. Das Aestus hat als druckgefördertes Triebwerk schon 3187 m/s und mit einer Turbopumpe werden es RS-72 schon 3355 m/s. Bei über 13 t Treibstoff macht das schon mal 1,4 t  Treibstoffersparnis = Nutzlast aus.

Stromversorgung anstatt Brennstoffzellen - heute spielt das keine Rolle, aber die meisten Flüge in den achtziger und neunziger Jahre fanden mit dem Shuttle vor allem Langzeitflüge mit Spacelab oder Spacehab statt. Beschränkt war die Missionsdauer vor allem durch die Brennstoffzellen die Strom lieferten. In dreißig Jahren bringt es die NASA nicht fertig einen kompakte Solarflügel, der entfaltet werden kann, zu entwickeln, der Strom liefert und leichter als die Brennstoffzellen ist.

Tank: Die einzigen Änderungen die es in der Produktion des Tanks, auch weil diese schon vor Challenger angedacht wurden. In zwei Schritten wurde der Tank leichter. Zuerst wurde beim Light-Wight Tank strukturelle Verstärkungen nach den Erfahrungen der ersten Flüge zurückgefahren und der Super Lightweight Tank ersetzte im Wasserstofftank die Legierung 2210 durch 2195. Interessanterweise wurde mit der Einführung des SLWT gewartet bis die ISS Flüge begannen, obwohl schon 1980 sein Erstflug nach Flug 25 angekündigt wurde - ohne ihn wäre die ISS nicht aufbaubar gewesen. Das zeigt sehr deutlich die Problematik des Shuttles - nur keine Änderungen. Hätte man auch Sauerstofftank aus der leichteren Legierung gefertigt und für die Zwischentanksektionen CFK Werkstoffe eingesetzt so wären nochmals rund 3 t mehr Nutzlast möglich gewesen.

Die größten Nutzlaststeigerungen sind natürlich durch leistungsfähigere Feststoffantriebe möglich und hier gab es einige Vorschläge:

Unterstützung der Feststoffbooster durch 159 t NTO/Aerozin-50 und zwei Titan 2 Triebwerke unter dem Tank: 5,5 t mehr Nutzlast - verworfen

Neue Treibstoffformel (HTTP mit höherem Aluminiumanteil anstatt PBAN) - verworfen

Booster aus CFK-Werkstoffe (wobei ich das selbst für etwas kühn bei den großen Boostern halte) - verworfen

Advanced SRM (ohne genaue Spezifikationen): Entwicklung 1988 begonnen, 1993 eingestellt.

5-Segment Booster: geplant für den ISS Ausbau, Testzündung 2003: Nach Columbia verworfen (dafür dann für die Ares I im Gespräch, echt konsequent): Alleine diese relativ kleine Änderung hätte 9,1 t mehr zur ISS oder rund 50% mehr Nutzlast gebracht.

Oberstufen:

Was bleibt ist ein System das als Transportsystem entworfen wurde, dessen Hauptaufgabe es aber über 20 Jahre war regelmäßig Leute in den Orbit zu bringen, die eine amerikanische Flagge schwenken und in die Kamera Kunststückchen machen. Kein Wunder dass Anfang der neunziger Jahre schon Umfragen ergaben dass es kaum noch beachtet wure und viele Amerikaner das Programm lieber eingestellt hätten - wäre es wohl auch ohne die ISS. Zuerst konnte es sich profilieren als MIR-Retter, nachdem die Russen nicht mehr das Geld hatten die Mir zu betreiben kam das von den Amis die noch mit den Shuttles Versorgungsgüter brachten. Und dann der Aufbau der ISS - sie wäre wohl längst fertig, hätte man auch nur eines der Upgrademöglichkeiten umgesetzt. Aber vielleicht war auch das gerade der Sinn: Möglichst nicht die Nutzlast steigern, dass man möglichst viele Flüge braucht um die ISS fertigzustellen und das Shuttle möglichst lange im Dienst bleibt....


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