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Web Log Teil 397: 30.8.2014 - 8.9.2014

30.8.2014: Mein Vorschlag für SpaceX

Am Donnerstag kam auf ZDF Info mal wieder eine Sendung über bemannte Raumfahrt, "Zukunft im All - Von der Raumstation zum Mars". Wie der Titel verrät ein Sammelsurium von Themen. Dabei ging es auch um suborbitalen Tourismus, natürlich mit dem Beispiel von SpaceShip Two aber auch Armadillo Aerospace, die das mit einer Rakete vom Erdboden aus durchführen wollen. Da kam mir eine Idee: das wäre doch was für SpaceX. Während man recht schwer sagen kann, wie groß der Markt für Weltraumtouristen ist (es gab bisher wenige, aber es gab auch wenige Fluggelegenheiten, so ist es wahrscheinlich nur für die Vermarkter klar wie groß der Bedarf und die Nachfrage ist) soll Virgin Galactic schon etliche Tickets für suborbitale Flüge 640 im August 2013 also lange bevor es den ersten Flug gab zu Preisen von 250.000 $.

Nun warum sollte SpaceX in dieses Segment einsteigen? Nun es gibt einige gute Gründe dafür:

Zum Punkt 1 einige Erläuterungen. Nach den Verträgen mit der NASA hat die Firma nach Ablauf von CRS und COTS 14 Dragon Raumkapseln die einmal flogen und für die es bisher keine weitere Verwendung gibt. Da CRS 2 mit noch mehr Fracht gerade ausgeschrieben wird, und nichts darauf hindeutet dass sich da etwas ändert, wird das ab 2017 noch mehr werden, da werden Orbital und SpaceX jeweils 3-4 Flüge pro Jahr durchführen müssen.

Daneben ist zu rechnen, dass die Betreiber von Satelliten erst mal skeptisch gegenüber der Wiederverwendung sind und nicht eine "Refurbished" Stufe haben wollen oder es kann sein, dass sie nicht beliebig viele Einsätze hinnehmen sondern vielleicht nur zwei. In beiden Fällen hat die Firma Triebwerke die noch eingesetzt werden können. Selbst bei maximaler Wiederverwendung kann es sein, das ein Triebwerk noch eine Lebensdauer hat die aber nicht mehr 180 s beträgt (die nominelle Brennzeit) aber für den kurzen Betrieb mit einer Suborbitalrakete. Auch diese stehen für Umsonst zur Verfügung denn den Start hat ja schon jemand bezahlt.

warum nicht diese Hardware nützlich einsetzen? Der Vorteil vom Suborbitaltourismus ist sofort ersichtlich:

Das bedeutet: die Belastungen sind viel kleiner und eine Dragon, die einen Orbitflug überstanden hat sollte problemlos etliche Suborbitaleinsätze überstehen. Das überstehen selbst Flugzeuge, denn auch die X-15 erreichte bei ihren Flügen eine Höhe von über 100 km.

Der Geschwindigkeitsbedarf ist nicht so genau bezifferbar. Die potentielle Energie entspricht einer Beschleunigung um 1400 m/s (für 100 km Höhe), dann kommen aber noch Gravitationsverluste und der Luftwiderstand hinzu. Eine A-4 erreichte bei einer theoretischen Endgeschwindigkeit von 2490 m/s eine Höhe von 187 km, das entspricht einer Hubenergie die einer Geschwindigkeit von 1890 m/s entspricht, das bedeutet man muss mit rund 500 m/s Verlusten rechnen, dann wäre für 100 km Höhe die zu erreichende Geschwindigkeit rund 1900 m/s.

Basierend auf den Daten des Merlin 1D am Boden entspricht dies einem Masseverhältnis von 1,9. Das bedeutet anders als bei einer Falcon 9 macht der Treibstoff weniger als die Hafte der Startmasse aus. Daraus kann man wenn man die Startbeschleunigung zu 13 m/s festlegt, folgendes ausrechnen:

Da eine bemannte Dragon nach SpaceX nur 6 t wiegt (und das mit Trunk, denn man nicht braucht) reicht das also möglich. Das Abbremsen des gesamten Gefährts müssten die Superdraco Triebwerke erledigen, weil selbst ein Merlin 1D zu schubkräftig ist. Es würde selbst bei 60% Schub noch um 15 m/s beschleunigen, es müsste für eine weiche Landung aber weniger als 10 m/s sein. Sonst hebt man wieder ab. Der Treibstoffbedarf ist recht gering: Es ist kaum zu erwarten dass die Stufe mit Dragon sich schnell durch die Luft bewegt, der Luftwiederstand wird die Fallgeschwindigkeit sicher auf maximal 500 km/h beschränken (Bomben im zweiten Weltkrieg erreichten diese Geschwindigkeit und die sind aerodynamisch günstiger). Rechnet man noch 5 Sekunden zum Schweben hinzu so braucht man für die Landung insgesamt ein Geschwindigkeitsvermögen von 190 m/s. Dafür braucht man rund 7-8% der Masse an Treibstoff, das bedeutet es bleiben rund 21,6 t für das Raumschiff.

Das ist also deutlich mehr als eine Dragon wiegt. Was gäbe es an Verbesserungsmöglichkeiten? Nun im Prinzip 2. Man könnte die normale Dragon mit einem Piloten und 6 Passagieren (geschätzte Masse: 6,7 t starten). Dann würde man eine größere Höhe erreichen (rund 490 km), allerdings mit einer unangenehmen beschleunigungsspitze von 71 m/s. Die Brennzeit würde ohne Schubreduktion in beiden Fällen 105,7 s betragen. Besser wäre es die Dragon um einen Zylinder zu verändern. Die Kegelform für einen Wiedereintritt bei hohen Geschwindigkeiten nötig, wird ja nicht mehr gebraucht. Rechnet man das Gewicht gleichmäßig auf die Oberfläche um, so kann man diese um 5,5 m verlängern. Bei vier Sitzen pro Reihe (derzeit im unteren Teil der Dragon eingebaut) und 6 zusätzlichen Reihen kann man so 31 Personen transportieren.

Was kostet es? Schwer zu sagen, man müsste eine eigene Stufe dafür konstruieren. Die Tanks wäre bei 25 t Treibstoff nur etwa 3 m hoch, selbst mit Triebwerk ist sie dann maximal 5 m hoch. Mit Dragon dann 9 - 16 m. Das Schubgerüst de Zweitstufe kann man verwenden, die Tanks der Zweitstufe müsste man kürzen. Schwer zu sagen was das kostet. Aber nehmen wir mal an die Dragons gäbe es für umsonst (stammen ja noch von der NASA) und die Stufe würde für 1 Triebwerk ein Neuntel der Falcon 9 Erststufe kosten, die 80% der Produktionskosten (nicht Startkosten und Gewinn) ausmacht. Zieht man Gewinn und Startdurchführung vom Preis von 61,2 Millionen Dollar ab, so ist man bei etwa 40 Millionen Dollar Produktionskosten. 80% davon sind 32 Millionen und ein Neuntel davon sind 3,6 Millionen Dollar.

Doch auch diese Stufe kann man mehrmals einsetzen. Nach der SpaceX Webseite haben die Merlin1D eine Lebenszeit von 4 Betriebszeiten, das sind 720 s. Teilt man das durch die 106 s Brennzeit so kann man 6 Flüge mit Sicherheit durchführen. Das reduziert die Abschreibungskosten für die Rakete auf 0,6 Millionen. Damit würde SpaceX schon bei 6 Passagieren Gewinn machen (6 x 250.000 Dollar vs. 600.000 Abschreibungskisten). Der Treibstoff ist kein Preisfaktor, er macht ja nach Elon Musk schon bei einer Falcon 9 die aus 490 t Treibstoff besteht 0,3% der Startkosten aus, hier wären es nur 25 t und die kosten dann 10.000 Dollar.

Bei 30 Passagieren pro Flug wird daraus eine Gelddruckmaschine - Erlöse von 7,5 Millionen pro Flug stehen Kosten von 0,6 Millionen gegenüber, dann würde es sich sogar lohnen, wenn man nichts wiederverwendet, skaliert man die Kosten der Falcon 9 auf 1 Triebwerk herunter. Dann könnte man z.B. von der Stufe sich trennen und die Kapsel einfach wassern lassen.

Idealerweise nutzt SpaceX aber dazu einfach Triebwerke die noch 106 s Restlebenszeit haben, aber eben keine 180s für einen Falcon 9 Start. Alle drei Starts müssten da 9 Stück anfallen, denn es gibt außer den Starts ja auch noch kurze Probezündungen vor jedem Start und das Brennen beim Abbremsen beim Weidereintritt. Bei 12 Starts pro Jahr können sie so alleine 36 Flüge pro Jahr mit Touristen durchführen.

Also es gäbe genug gute Gründe in das Geschäft des Suborbitaltourismus einzusteigen. Schade das SpaceX es nicht macht, aber wahrscheinlich kann man es sich dort nicht leisten Abzweigungen von dem direkten weg zum Endziel Mars einzuschlagen.

1.9.2014: Der ideale "Green" Treibstoff

Eigentlich wollte ich den Beitrag unter "Münchhausens Kolumne" ablegen, aber dann fiel mir nichts ein, was gegen ihn sprechen sollte. so kommt er unter Satire und Fiktion, wobei das Fiction der passende Oberbegriff ist. Seit einigen Jahren hat die Umweltbewegung ja auch die Raumfahrt erreicht und ein Thema sind "green fuels" oder wie man im deutschen sagen würde umweltfreundliche Treibstoffe. Sie sollen auch bei einer Havarie möglichst umweltverträglich sein. Die Alternativen werden vor allem bei Hydrazinen gesucht, die alle giftig sind. Die NASA untersucht Hydroxylammoniumnitrat als Einkomponentensystem. Gedacht wird vor allem an Satelliten, wobei meiner Ansicht nach aufgrund der Treibstoffmenge Stufen viel interessanter wären. Aber da wird man wohl dann gleich auf LOX/Kerosin umsteigen.

Ich habe da für Satelliten eine viel bessere Alternative: Wasser. Wasser ist nach umfangreichen Untersuchungen absolut umweltfreundlich. Es ist ungiftig, nicht korrosiv, nicht ätzend. Es löst sich bei einer Havarie sowohl im Meer aus wie es auch an Land rückstandslos vom Boden aufgenommen wird. Nun kann man Wasser nicht verbrennen, aber man kann Wasserstoff mit Sauerstoff verbrennen und netterweise enthält dies Wasser. Es gibt sogar Triebwerke die dies tun und in der Schubkraft geeignet sind. Von Airbus z.B. ein 300 N Triebwerk.

Das Prinzip ist ganz einfach: Man führt Wasser mit, spaltet es über Elektrolyse und verbrennt es wieder zu Wasser. Im Prinzip könnte man es sogar als einen elektrischen Antrieb bezeichnen, denn die Energie ist nun nicht in mehr im Treibstoff gespeichert sondern durch Energiezufuhr wird erst der nutzbare Treibstoff gewonnen. Nur wird er nicht elektrisch beschleunigt, sondern die Energie steckt erneut im Treibstoff, Daher bietet es sich an die Technik mit chemischen Treibstoffen und elektrischen Antrieben zu vergleichen.

Ich habe dafür mal den Satelliten Astra 2F genommen, der 2012 gestartet wurde. Er wiegt beim Start 6000 kg, nach 15 Jahren nur noch 2660 kg, das heißt der größte Teil der Satelliten ist Treibstoff. Er teilt sich auf in den Treibstoff für das Erreichen des GEO und den Lagereglungstreibstoff. Bei Verwendung der derzeit aktuellen Apogäumantriebe (spezifischer Impuls 3150 m/s) 1500 m/s Geschwindigkeitsänderung vom GTO in den GEO sind das 2273 kg. Der Rest entfällt auf die Lagereglung. Die Verniertriebwerke haben geringere Wirkungsgrade, mit einem spezifischen Impuls von 2880 m/s, das reicht dann also für weitere 970 m/s. (Daten von vorhandenen Apogäumsmotoren und Verniertriebwerken als Basis genommen)

Zusammen sind das dann rund 2500 m/s Korrekturvermögen. Das obige Astrium LH2/LOX-Triebwerk hat einen spezifischen Impuls von 415 s, das sind 4071 m/s. Bei diesem spezifischen Impuls käme man also mit einer Startmasse von 4915 kg aus. Dabei geht dies davon aus dass das Antriebssystem gleich schwer ist. Das wird aber nicht der Fall sein. Heute werden Druckgeförderte Antriebe eingesetzt. deren Tanks sind relativ schwer, weil sie einem hohen Innendruck aushalten müssen, dazu braucht man Druckgas und das steckt in schweren Druckgasflaschen. Beim ATV wiegt das Antriebssystem 1,5 t, allerdings ist es auch vierfach redundant aufgebaut. Trotzdem ist die Trockenmasse beachtlich bei 7 t Treibstoffzuladung. Für einen LOX/LH2 antrieb braucht man auch einen Tank für die Gase, doch eben nur die Menge, die man für ein Antriebsmanöver braucht. Dabei liefern die Gase selbst das Druckgas. Zudem braucht man in jedem falle kleinere Tanks, denn man führt weniger Treibstoff mit. Eine Reduktion der Trockenmasse um 10% sollte so möglich sein, was mit einer Reduktion der Startmasse auf 4400 kg korrespondiert.

Doch geht es überhaupt? Der Satellit Astra 2F hat eine elektrische Leistung von 13 kW. Nach Wikipedia liegt der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse von Wasser bei 70%. Das reduziert die während der Aufstiegsphase verfügbare Leistung auf 9 kW. Zieht man 0,5 kW für die Bordsysteme ab, so bleiben 8,5 KW. Ein Mol Wasser hat eine Bindungsenergie von 268,8 kJ, das sind 268800 Ws. In einer Stunde kann so 10,7 Mole, 1928 g Wasser gespalten werden. In 10 Stunden, die anfangs ein Umlauf braucht, 19,2 kg. Da man auch die Zeit des Schattens durchläuft nehme ich mal 18 kg. Das muss man in einem Druckgastank speichern. Da das Triebwerk mit maximal 8 Bar arbeitet muss der Tankdruck höher sein, typisch 10 Bar. Man kann aber den Treibstoff nicht vollständig nutzen, da der Druck bis auf 4 Bar am Triebwerk abfallen kann. Ein Tank in der richtigen Größenordnung von EADS/Airbus hat einen Betriebsdruck von 19,5 Bar. Nimmt man mindestens 5 Bar Druck an, damit das Triebwerk mindestens 4 Bar Brennkammerdruck hat, dann nimmt er 2,52 kg Wasserstoff auf von denen 1,88 kg nutzbar sind, das entspricht 16,9 kg Wasser (nutzbar) bzw. 22,7 kg (gesamt)

 Dafür braucht man einen 3 m³ fassenden Tank. Bei höherem Tankdruck einen entsprechend kleineren. Ein höherer Tankdruck wäre wünschenswert, da das Triebwerk mit minimal 4 bar arbeitet. Je höher der Startdruck ist desto höher der Anteil des Treibstoffs der verbraucht wird.

Man kann leicht ausrechnen dass man so rund 76 Zündungen braucht um vom GTO in den GEO zu gelangen. Das korrespondiert mit 76 Umläufen die anfangs 10 Stunden dauern. Später steigt die Umlaufdauer, doch begrenzt durch das Tankvolumen kann man maximal das Gas für 10 Stunden Elektrolyse zwischenspeichern. Trotzdem dauert das heraufspiralen nicht lange, bei 17 Stunden für einen Umlauf im Mittel maximal 54 Tage. Das ist der wesentliche Vorteil gegenüber elektrischen Triebwerken - es geht viel schneller.

Für die spätere Lagereglung mit kleineren Impulsen braucht man naturgemäß einen kleineren Tank. Dazu braucht man auch ein zweites Triebwerk. Auch an dem 300 N Triebwerk wäre eine Modifikation nötig: eine elektrische Zündung, da es bisher chemisch gezündet wird (maximal viermal). Ideal wäre auch ein Arbeiten mit dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis. Derzeit arbeitet es mit 5,5 zu 1 (LOX/LH2) Bei 5,5 anstatt 8 zu 1 kann man von 1 Kilo Treibstoff 277 g nicht genutzt werden, was den Treibstoffspareffekt auf nahezu Null bringt.

Einfach gestaltet sich auch das Managen des Treibstoffs: weder verdampft Wasser schon bei 28°C wie NTO noch bei 87°C wie MMH. Man braucht auch nur einen Tank anstatt zwei. Nur wenn man das Triebwerk betreibt stehen die Tanks kurzzeitig unter Druck. Um vor allem das Diffundieren des Wasserstoffs der nach de, Betrieb des Triebwerks zu verhindern ist es ratsam den nicht umgesetzten Treibstoff wieder zu Wasser zu verbrennen und in den Wassertank zurückzuführen.

Ordnet man das System zwischen konventionellem chemischen Triebwerk und Ionentriebwerk ein, so liegt es bei der Masse ziemlich genau dazwischen. Die "All Electric" Satellites sollen gerüchteweise die halbe Startmasse der mit chemischen Treibstoff gefüllten Pendants aufweisen. Das wären bei dem Astra 2F als Vorlage 3000 kg. Hier reden wir von rund 4400 bis 4900 kg. Dasselbe gilt für die Dauer um einen endgültigen Orbit zu erreichen. Das dauert beim chemischen Antrieb einige Tage bis Wochen, bei Wasserstoff/Sauerstoff in 11 Wochen und bei Ionenantrieben reden wir von mehr als 6 Monaten. Genauso ist es bei der technischen Komplexität. Man braucht im Prinzip gegenüber dem klassischen chemischen Antrieb nur eine Elektrolyseeinheit und eine Brennstoffzelle zum zurückgewinnen des Treibstoffs. Ein All-elekctric Satellit hat dagegen einen komplett anderen Antrieb, der eine Hochspannungsversorgung, Xenons-Druckgastanks und sehr viel Strom braucht.

Warum macht man es nicht einfach? Nun weil wenn man schon Wasser hat man auch ein Ionentriebwerk mit Wasser betreiben kann. Das geht nicht mit den elektrostatischen Ionentriebwerken die heute favorisiert werden, aber es geht mit Plasmatriebwerken, die Russland früher einsetzte. Bei denen wird Wasser mit einem Plasma auf hohe Temperatur erhitzt und entsprechend der Temperatur hat es eine hohe Geschwindigkeit. Diese Antriebe sind allerdings den elektrostatischen unterlegen. Der Wirkungsgrad ist niedriger und die Ausströmgeschwindigkeit ebenfalls. Das letztere wäre aber gar nicht mal so schlecht, denn bei Ionentriebwerken sind Schub und Ausströmgeschwindigkeit gekoppelt. Hat man also eine geringere Ausströmgeschwindigkeit, so ist der Schub höher, sprich man passiert schneller den Van Allen Gürtel und erreicht die endgültige Bahn schneller. Bei einer Branche in der jeder Monat in der der Satellit nicht senden kann, Verluste im Bereich von 2-3 Millionen Dollar bedeutet ist dieser Aspekt nicht von der Hand zu weisen, so könnte es vielleicht interessant sein Wasser als Treibstoff zu nutzen - allerdings für Ionentriebwerke und nicht für chemische Triebwerke.

2.9.2014: Lohnt es sich oder lohnt es sich nicht?

Das ist eine Frage auf die es schlussendlich hinausläuft. Gemeint sind verschiedene Projekte die darauf hinauslaufen an Satelliten anzudocken und ihre Lebensdauer zu verlängern oder sonst etwas mit ihnen zu tun. Die beiden gestrandeten Galileo Satelliten haben da wieder die Diskussion belebt. Eine israelische Firma will die Satelliten retten, primär als Demonstrationsmission für Versicherungen. Gedacht isst dann wohl für Versicherungen andere gestrandete Satelliten zu retten. Da gab es ja in den letzten Jahren einige, vor allem durch Proton Fehlstarts. Die hat man bisher immer deorbitiert und die Versicherungsprämie einkassiert. Allerdings ist der Markt eher klein, Ein Fehlstart alle paar Jahre denn auch bei der Proton kann der Satellit nur gerettet werden wenn einer der Breeze Zündungen nach Erreichen des ersten Orbits fehlschlägt. Gibt es bei den Stufen vorher ein Problem oder bei der ersten Zündung, so kann man nichts mehr retten.

Lukrativer ist eher die Verlängerung der Betriebsdauer von Kommunikationssatelliten, doch dazu weiter unten noch was. Bei der NASA erforscht man das Neubefüllen. Das halte ich für keine gute Idee, denn das ist zum einen technisch viel aufwendiger als einfach an den Adapter des Satelliten, der ja standardisiert ist anzukoppeln oder noch einfach mit ein paar Krallen anzukoppeln (später reden wir ja nicht von großen Antriebsmanövern, sondern langsamen Lagekorrekturen, da mag dies ausreichend sein). Zum zweiten muss man den Treibstoff erst mal zum Satelliten transportieren, was ziemlich teuer ist. Sinniger ist da schon der Vorschlag der israelischen Firma, die Ionentriebwerke einsetzt. So ein Refüllprojekt läuft schon bei MDA, und soll schon 2015 starten mit INTELSAT als Kunde.

Deutschland arbeitet zwar auch am Ankoppeln an Satelliten, denkt dabei aber eher an die Müllbeseitigung.

Kommen wir zurück zum israelischen "Deorbiter". An und für sich finde ich Ionentriebwerke super, aber ich habe meine Zweifel. Denn der Deorbiter wiegt nur 250 kg. Das ist eine richtige Größe für die rund 700 kg schweren Galileo Satelliten, aber nicht für im Orbit noch 3 t schwere Kommunikationssatelliten. Zumal offen ist ob das das Startgewicht ist oder das Gewicht im Orbit. Der Treibstoff ist nicht das Problem, um 3 t ein Jahr lang in der Position zu halten braucht man nur rund 5-7 kg. Salbst bei 20 Missionen macht das dann nur die Hälfte der 250 kg aus, doch dann kommt ja noch der Satellit dazu: Vor allem die Stromversorgung, Struktur, Tanks, Triebwerke, Kommunikationseinrichtungen etc. Eventuell denkt man aber zuerst mal an kleinere Satelliten.

Ein Knackpunkt ist es den Deoribter preiswert ins all zu bringen. Das geht bei dieser Masse nur als Sekundärnutzlast. Arianespace startet seit die Ariane 5 eingeführt wurde, kaum noch Sekundärnutzlasten, der letzte Einsatz der ASAP-5 liegt 5 Jahre zurück und diente damals nur um Ballast mitzuführen, damit bei dem Start eines Helios Satelliten die EPC nicht auch einen Orbit erreicht. Für Delta und Atlas gibt es den ESPA Ring, von dem gab es aber nachdem er schon seit Jahren verfügbar ist auch nur einen Einsatz. Das bedeutet die Gelegenheit preiswert ins all zu kommen sind selten und bei der kleinen Masse wird ein eigener Start wohl recht teuer.

Aus Sicht des Betreibers ist die Rechnung relativ einfach: Ein Transponder bringt im Durchschnitt 1,6 Millionen Dollar pro Jahr. Die Kosten liegen im Durchschnitt bei 1 Million pro Jahr. Nimmt man 15 Jahre Betrieb an und einen Startpreis von 130 Millionen Dollar für einen 6 t Satelliten (40 Transponder) der selbst 300 Millionen Dollar kostet, dann entfallen auf das Bodensegment das es ja auch noch gibt (Missionsüberwachung, Sende- und Empfangsstationen) rund 170 Millionen, also rund 10 Millionen pro Jahr. Selbst wenn die Stromversorgung dann nicht mehr für alle 15 Transponder reicht und nun auch noch Missionskosten für den Deorbiter hinzukommen stehen dann vielleicht 50 Millionen Dollar Einnahmen Kosten von 15 Millionen Dollar gegenüber - da kann ein Betreiber schon was für seinen Service verlangen.

Der Betreiber hat das Problem der Vorfinanzierung. Er muss den Deorbiter bauen und Starten und dann Kunden gewinnen. Ist er erst mal im geostationären Orbit so kann er leicht von Satellit zu Satellit wechseln, aber auch nur wenn es Kunden gibt. Das der Deorbiter für 20 Missionen ausgelegt ist spricht eher dafür das man damit rechnet das er sehr oft den Satelliten wechselt. Ein Kunde wird dann einen Satelliten nicht viel länger als seine Garantiezeit betreiben. Vielleicht weil ein Ersatz sich verzögert oder man wird gar nicht die Lageregelung übernehmen, sondern den Satelliten in einen "Friedhoforbit" verschieben. Den dafür vorgesehenen Treibstoff kann der Satellit dann zur Lageregelung nutzen, was seine Lebensdauer verlängert.

Trotzdem wünsche ich dem Projekt Erfolg, einfach weil ich ein Fan von Ionentriebwerken bin und nicht verstehe warum man nach Jahrzehnten nach den ersten Tests immer noch alle Satelliten chemisch vom LEO in den GEO bringt, obwohl das die Nutzlast auf rund ein Sechstel reduziert.

3.9.2014: SLS: für die einen billig, für die anderen teuer.

Vor einigen Tag hat nun die NASA endgültig die SLS beschlossen, nachdem sie schon im Juli hochdotierte Verträge mit ATK und Boeing abgeschlossen hat. 7021 Millionen Dollar soll das vom Februar 2014 bis zum Jungfernflug 2018 kosten. Nach der Computeranalyse gibt es eine 70% Wahrscheinlichkeit das man das Datum halten kann. Man will das verbessern indem man Probleme rechtzeitig angeht:

"If we don't do anything, we basically have a 70 percent chance of getting to that date," said Bill Gerstenmaier, NASA's associate administrator for space operations. "Our intent is to go look at those (expected) problems and see what we can do to mitigate (them)."

Ich nehme an die NASA wird das feiern als einen sehr preiswerten Träger. Vergleiche sind schwer, die Saturn V stammt aus einer anderen Zeit und das Space Shuttle ist nicht nur eine Trägerrakete. Andere Träger sind viel kleiner. Aber es ist z.B. billiger als die Ariane 5 Entwicklung (inflationskorrigiert), die neue Ariane 6 soll auch 4 Milliarden Euro kosten, was auch über 5 Milliarden Dollar sind - bei einer dreimal kleineren Nutzlast. So gesehen kann man sagen das es eine preiswerte Entwicklung ist.

Man kann natürlich auch den gegenteiligen Standpunkt vertreten. Denn was ist ist an der Rakete neu? Die Booster sind 5-Segmentbooster. Die Shuttle SRB sind 4-Segmentbooster. Eine Erweiterung um 1 Segment wurde schon erwogen um die Nutzlast für die ISS zu erhöhen. Durch den Ausmusterungsbeschluss kam es aber nicht mehr zur Umsetzung. Doch für die Ares I wurden 5-Segment SRB entwickelt und es gab schon zwei Testzündungen. In jedem Falle ist es nur ein verbesserter Shuttle-SRB.

Auch die Triebwerke sind RS-25 vom Space Shuttle. 16 Stück hat noch die NASA, das reicht für die ersten vier Flüge. Neu konstruieren muss man eigentlich nur die Stufe in die die Triebwerke eingebaut werden.

Die erste Stufe beinhaltet noch keine Oberstufe, man wird wenn es zum Mond geht dann eine modifizierte Delta IV Zweitstufe einsetzen. Modifizieren wird man sie müssen, weil die Nutzlast wesentlich schwerer sein kann und auch der Durchmesser nicht zur Erststufe passt. Aber das ist auch keine große Sache. Die 7 Milliarden sind nur für die erste Version, die 70 bis 77 t in den Orbit bringt. Neue Booster über die noch keine Entscheidung gefallen ist sollen sie auf 105 t steigern, eine Oberstufe mit dem J-2X Triebwerk auf 130 t. Das sind dann noch weitere Kosten die jetzt noch nicht enthalten sind.

Man kann das ganze auch anders aufzäumen: Das Space Shuttle wog wenn es einen Orbit erreichte noch rund 110 bis 115 t. Davon würden, wenn man kein Shuttle transportiert, sondern nur die Nutzlast in einer Hülle dann noch die Triebwerke mit Triebwerksrahmen abgehen. Die OMS könnte man weglassen, dafür müsste man die Nutzlast leicht absenken. Was bleibt sind die Triebwerke, der Schubrahmen, Hydrauliken und Gase/Antriebsflüssigkeiten. Ein als Ares V Alternative entwickeltes "Shuttle-Derivated Heavy Launch Vehicle" sollte 90 t in einen Orbit bringen - mit viel weniger Änderungen als die SLS am Shuttlekonzept. Es wäre auch wahrscheinlich billiger.

Vor allem wundert mich die Wahl der Triebwerke. Die RS-25 waren mal für die Ares V vorgesehen, die NASA schwenkte dann auf das RS-68 um. Das ist billiger in der Produktion und schubstärker, wenn auch nicht so effizient. Es ist aber nicht man-rated. das sollte eine neue Version RS-68B leisten. Nun wieder das RS-25. Ich denke dabei ist weniger der Punkt das es man rated ist, sondern es verfügbar sind - 16 Triebwerke reichen für 4 Starts, die bei der derzeitigen Planung mindestens bis 2026. So spart man nun erst mal Kosten. Die entstehen erst, wenn man neue Triebwerke braucht.

Das Hauptproblem ist aber das es eigentlich nichts gibt wofür man die SLS einsetzen kann. Einen Mondumflug oder eine Mondumlaufbahn soll es geben, eventuell einen Asteroidenbesuch den man vorher unbemannt in Erdnähe bugsiert hat. Aber die Nutzlast reicht nicht für mehr und selbst wenn dann gibt es kein bemanntes Programm, das Langzeitaufenthalte vorsieht und auch keine unbemannten Programme. Das eine schließt das andere aus - sicher wäre so eine Rakete nützlich für allerlei unbemannte Programme: Marsbodenprobengewinnung, große Orbiter/Lander ins äußere Sonnensystem ohne dass man nukleare Energieversorgung für Ionentriebwerke braucht. Aber solche Projekte kosten auch einige Milliarden und die hat man nicht wenn man bemannte Projekte jenseits der Erdbahn angeht. Seit Apollo gibt es das eherne Gesetz, das die NASA ihr Budget für unbemannte Raumfahrt kürzt, wenn die bemannte Raumfahrt mehr Mittel erfordert und ich rechne damit auch in Zukunft.

Für die einen ist die SLS billig, für die anderen teuer, für mich ist sie einfach nur überflüssig.

8.9.2014: Wie groß ist der Markt für Weltraumtourismus?

Diese Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten. Für echte Weltraumtouristen, also welche die in einen Orbit gelangten gab es erst wenige Fluggelegenheiten, die noch dazu sehr viel teurer wurden. Gerade wurde bekannt dass nun Sarah Brightman ihr Training für ihren Trip zur ISS aufnimmt. Dies wird sie und eine Investorengruppe 50 Millionen Dollar kosten. Die ersten Touristen flogen noch für 20 Millionen Dollar zur ISS. Bisher gab es nur acht Flüge seit 2001. Seit 2009 gab es keinen mehr.

Das hat seinen Grund: Den Weltraumtouristen will nur einer der bei der ISS beteiligten Weltraumagenturen: die Roskosmos. Sie verdient an ihnen. Die anderen Weltraumagenturen, aber auch die Astronauten an Bord der ISS sind davon nicht so begeistert oder gar dagegen. Die Weltraumagenturen, weil die Raumstation finanziert mit öffentlichen Geldern für die Forschung und nicht als Hotel für Milliardäre gebaut wurde.  Die Astronauten sprechen zwar nicht in offiziellen Interviews darüber finden aber die Touristen im besten Fall deplatziert, manche auch störend, weil sie nichts zu den Arbeit die ansteht beitragen können.

Das es seit 2009 keine neuen Touristen gab hat seinen Grund: Da wurde die Station fertiggestellt, die Stammbesatzung auf 6 erhöht, die nun dauernd zwei angekoppelte Sojusraumschiffe benötigen, mehr Kapazität hat Russland nicht. Jeder Tourist nimmt einen Stammplatz weg, der noch dazu längere Zeit nicht zur Verfügung steht, während der Tourist nach 10 Tagen wieder zur Erde zurückkehrt. Roskosmos setzte aber für einzelne Besatzungen eine Verlängerung der Aufenthaltsdauer auf 360 Tage durch, damit gibt es wieder die Plätze.

Aufgrund dieser Begleitumstände sind die Flüge zur ISS nicht repräsentativ. Man weiß nicht ob die Nachfrage größer als das Angebot ist oder nicht. Es gibt zu viele Restriktionen. Dann gibt es noch den Suborbitaltourismus, sofern man überhaupt davon sprechen kann, denn mehr als einige Minuten Schwerelosigkeit sind es nicht. Dafür ist es um den Faktor 100 billiger. Hier haben sich bei Virgin Galactics schon 640 Kunden eingeschrieben wobei auch eine Vorauszahlung zu leisten ist, die nehmen das also ernst. Es dürften mehr werden, denn die die jetzt schon gebucht haben müssen ja einige Jahre warten. Wenn man das nicht muss und man weiß, das es sicher ist, werden es sicher mehr werden. Doch auch das ist schwer auf die Nachfrage des Orbitaltourismus zu übertragen. Zum einen dürfte es mehr Interessenten geben, wenn man nicht nur 10 Minuten schwerelos ist, daneben ist das Umkreisen der Erde auch eine andere Sache als ein kleiner Hüpfer ins All.

Ich versuche trotzdem eine Abschätzung. Fangen wir mit dem Geld an. 50 Millionen Dollar klingen nach viel Geld, Doch für einen Multimilliardär sind das nicht die Summe die ihn wirklich juckt. Ab und an kommen ja Berichte aus der Welt der Supereichen. Leute, die sich einen eigenen Airbus 380 leisten (inklusive Umbau zum fliegenden Hotel), eine Jacht so groß wie ein kleines Kreuzfahrtschiff und für beides einen dreistelligen Millionenbetrag ausgeben, für die sind auch 50 Millionen Dollar kein Problem. Bill Gates will den Großteil seines Vermögens in Stiftungen für das Allgemeinwohl unterbringen, wenn er davon noch 50 Millionen für einen Trip abzweigt wird man ihm sicher nicht böse sein. Er hat so viel Geld, dass er es sich leisten kann auf 90% davon zu verzichten. Für die Reichen sind wohl eher die Begleitumstände ein Problem sein. Auch wenn das Trainingsprogramm abgespeckt ist, hat nicht jeder ein halbes Jahr Zeit für die Vorbereitung auf einen 10-Tages Trip. Dieser selber ist an Bord einer Sojus sehr anstrengend, vor allem wegen der Spitzenbelastung. Das Space Shuttle erlaubte mit maximal 3 g dagegen den Transport von Rentnern, Senatoren, saudischen Ölprinzen und Touristen ohne großes Training. So begrenzen die Begleitumstände (körperliche Fitness, Zeitaufwand heute neben den Kosten und seltenen Fluggelegenheiten den Kreis der potentiellen Kunden.

Trotzdem wird es sicher nicht hunderte von Interessenten jedes Jahr geben. Macht man eine Abschätzung nachdem der 100-fache Preise eines Suborbitaltrips auch die Bachfrage um den Faktor 100 reduziert, dann müssten es 6-7 Touristen sein. Wir wissen nicht welchen Zeitraum das bei Vigrin Galactics abdeckt, aber sollen es mal 6-7 Personen pro Jahr sein, immerhin deutlich mehr als die 1-2 die es bisher gab. Ich halte das für realistisch, denn so viele Reiche gibt es auch nicht und nicht jeder will ins All.

Ein Problem ist, das je mehr Personen es sind, desto billiger wird es. Ein Start in einer Kapsel ist immer gleich teuer, egal ob 3 oder 7 mitfliegen. Umgekehrt wird es schwierig die Terminpläne von immer mehr Personen zu synchronisieren. Aus dieser Sicht wäre ein Trip zur ISS ideal, da es dorthin sowieso 4 Flüge pro Jahr gibt. Doch dafür müsste man die Einstellung der Raumfahrtbehörden zu Touristentransporten ändern. Als Alternative gibt es nur die geplante Raumstation von Bigelow. Die soll zwar vorwiegend nicht für Touristen da sein, doch schon an Bord der ISS könnte die Industrie forschen - und sie tut das nur sehr zögerlich obwohl sie hier nicht kostendeckend zahlen muss. So sind Flüge zur privaten Raumstation das aussichtsreiche. Da hat Bigelow einen Abschluss mit Boeing und SpaceX gemacht. Da kostet ein Sitz 26,25 bzw. 37,75 Millionen Dollar. Bei SpaceX entspricht das genau 6 Astronauten und einem Piloten für 157 Millionen Dollar oder 5 Passagieren für 131 Millionen Dollar, in etwa dem Preis den die Firma für bemannte NASA Flüge verspricht (133 Millionen Dollar). Boeing ist alleine schon durch die Atlas V Trägerrakete teurer.

Die Falcon 9 weist ebenfalls eine Spitzenbeschleunigung von 5,5 g auf, teilt also den Nachteil der hohen Beschleunigung der Sojus. Bei der Atlas V sieht es besser aus. Ihr RD-180 ist im Schub drosselbar. Das erfolgt derzeit maximal bis zum 74% Niveau, eine Senkung ist auf 47% möglich was die Beschleunigung auf niedrigere 3,8 G reduziert. Mit einem Fluchtturm der erst nach der Stufentrennung abgetrennt wird käme man noch etwas niedriger.

Eine Reduktion der Preise wäre auch zur Erhöhung der Nachfrage sinnvoll. Wie oben beschrieben ergeben sich dann mehr potentielle Kunden, die wiederum mehr Flüge bedeuten und mehr Flüge dann niedrigere Ticketpreise pro Flug. Wiederverwenden wird man die Kapsel können, die selbst bei SpaceX der teurere Teil ist. Doch gibt es bei SpaceX wie Boeing einen Teil der verloren geht und den man woanders als das Servicemodul bezeichnet. Da man auch Raketen nicht unbegrenzt lange wiederverwenden kann (wenn's mal klappt), alleine weil Triebwerke maximal einige Betriebszeiten als Lebensdauer haben und auch die Oberstufe verloren geht wird man die Kosten wahrscheinlich senken können, aber es wird sicher immer noch im Bereich von Millionen pro Flug liegen. Trotzdem dürfte man so eine Nachfrage haben, die im Bereich von 10 bis 50 Personen pro Jahr liegt. Dann sprechen wir aber von mehreren bis vielen Flügen pro Jahr und einem Umfang für das sich Investitionen lohnen.

Das Optimum dürfte wohl das Private-Government Modell sein. Das wäre z.B. die Erweiterung der ISS um ein Modul von Bigelow. Touristen würden zusammen mit den Astronauten der Raumfahrtagenturen zur ISS fahren und für für sie beförderte Versorgungsgüter zahlen oder mitbringen. Der Vorteil ist das das obige Henne-Ei Problem umgangen wird: mehr Kunden bedeuten mehr Flüge, wenige Kunden bedeuten teure Flüge und noch weniger Kunden, bis man nicht mal die Kapsel voll bekommt. So könnten zuerst einzelne Touristen ins all gelangen ohne dass man viel investieren muss, läuft es und kann man die Kosten senken, so kann man auf eine eigene Raumstation umsteigen. Die Weltraumbehörden könnten Argumentieren, dass das eigene Modul nicht zur ISS gehöre und man so auch Kosten für die ISS spart und es auch so dem Steuerzahler nützt.

Für die Raumfahrtbehörden hat das den Vorteil, dass man so die Beförderungsgelegenheiten voll ausnutzt. CST-100 und Dragon haben beide die Möglichkeit sieben Astronauten zu befördern. Es nicht damit zu rechnen, dass die Russen ihre Kosmonauten dann mit den Amerikanern transportieren (im Gegenteil, sie entwickeln gerade die Sojus MS für Einsätze ab 2017). Für 10 Personen ist die ISS aber nicht ausgelegt und man wird sicherer auch nicht so viele Versorgungsgüter hochtransportieren wollen. Wenn man die Stammbesatzung auf die geplanten 7 Personen anhebt hat man aber pro US-Flug drei unbenutzte Sitze, das sind sechs Startgelegenheiten pro Jahr.

Immerhin darf Bigelow ja eine verkleinerte Version ihres Moduls an der ISS testen, also ganz auszuschließen ist das Szenario nicht. Vielleicht spielt aber auch nur eine Rolle, dass Bigelow Amerikaner ist und die anderen Touristen wurden ja von Russen transportiert....


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