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Web Log Teil 560: 2.7.2019 - 9.7.2019

SpaceX – Nachlese vom Juni

Inzwischen gibt es wieder genug Neues von der Firma PlatzX (wir wollen ja korrekt übersetzen, nicht wie Eugen Reichl, der aus „commercial“ in Mike Pences Ankündigung des Artemisprogramms ein „privat“ in seinem Artikel in der SuW 7“019 gemacht hat).

Fangen wir mit den positiven Nachrichten an: Die Falcon Heavy ist zweimal in einem Halbjahr geflogen und hat damit ein Drittel ihres Auftragsvolumens abgearbeitet! Das ist doch eine Leistung, Ein Drittel der Aufträge in nicht mal vier Monaten! Nun ja es sind eben nur sechs Aufträge und der nächste findet nun nicht vor Ende 2020 statt.

Aber danach braucht man die Falcon Heavy nicht mehr, denn schon 2021 wird Starship (so heißt nun die zweite Stufe der BFR) fliegen. Und dann gibt es die alten Raketen sowieso nur noch für Kunden die nichts anderes wollen. Da dies dann nach Musks Angaben zehnmal preiswerter als eine Falcon 9 sein wird, also bei 100 t LEO und 20 t GTO Nutzlast weniger als ein Falcon 9 Start kosten wird (die ja nur ein Fünftel der Nutzlast hat) wird eine so teure Rakete wie die Falcon Heavy der Vergangenheit angehören, denn die Air Force zahlte für einen Start 150 Millionen Dollar. Wenn die Prognose von Musk so umgesetzt wird, wird die BFR nur 30 Millionen kosten.

Schauen wir uns mal die Statistik an. Es gab im ersten Halbjahr acht Starts, davon nur zwei in den GTO, das waren bisher die meisten Einsätze. Im ersten Halbjahr 2018 waren es noch 12 Starts. Es geht, wie ich schon vor Monaten prognostiziert habe, bergab. Aber das wird sich nun ja ändern. Wenn PlatzX schon keine Aufträge mehr hat, dann startet man eben eigene Satelliten. Das muss man auch. Denn weniger als zwei Monate nach dem Start des ersten Batches von 60 Stück sind schon nach dem Start gleich drei ausgefallen und blieben in 440 km Höhe. Auch von den anderen 57 haben nur 45 die Nennorbithöhe erreicht, was meiner Ansicht nach auch für Probleme mit den anderen 12 Satelliten spricht. PlatzX bestätigte, dass fünf noch nicht die Zielhöhe erreicht haben und weitere fünf immer noch in 440 km Höhe „getestet“ werden. PlatzX ist zufrieden. 95 % wären gut genug, nun ja 75 % wenn man die mitzählt. die nun schon in dieser frühen Missionsphase Probleme haben. Die drei würden nun passiv verglühen (aktiv geht wegen des abgerissenen Kontakts ja nicht). Bei 440 km Höhe auch nicht tragisch, doch 5 % oder gar 25 % der 7518 geplanten Satelliten in 1000+ km Höhe deorbitieren nicht passiv und das sind dann 375 bis 1900 unkontrollierte Schrottobjekte. Juckt Musk nicht. Funktionierende Satelliten zu starten, ist so, wie funktionierende Raketen starten – PlatzX bessert inkrementell nach.

95 % ist eher schlecht. Trägerraketen haben schon lange eine Zielzuverlässigkeit von mehr als 95 % und sie gelten eigentlich als der riskanteste Teil einer solchen Unternehmung, nicht das Inbetriebnehmen im Orbit. Aber wie immer hat eben PlatzX eine andere Vorstellung als der Rest der Industrie. Die hat nun Sorgen über unzählige neue Weltraumschrottsatelliten. Musk: „“It’s possible that some of these satellites may not work, and in fact [there’s a] small possibility that all of the satellites will not work,”. Das soll sich mal irgend jemand anders leisten. Egal ob es im Space-Business ist oder woanders. Nehmen wir mal an VW würde sagen „Von unserem neuen Auto werden wohl einige Wagen nicht funktionieren, es gibt die kleine Chance das alle Wagen nicht funktionieren“. Die Firma könnte zumachen.

Immerhin müssen sie sich noch sputen. Wollen sie doch innerhalb eines Jahr 1.000 bis 2.000 Satelliten starten. Das sind 18 bis 36 Starts, also mindestens alle drei Wochen einer. Die letzten sieben Wochen gab es keinen Start, also beeilt euch mal. Sonst verliert ihr zum erneuten Male wieder eine Wette.

Netterweise helfen die Kunden PlatzX dabei, indem sie keine Starts mehr buchen. Das Launch Manifest weist heute (1.7.) noch 36 zukünftige Missionen aus. Anfang des Jahres waren es noch 42, vor einem Monat (28.5) noch 39 – das heißt es müssen sogar Kunden abgesprungen sein, denn seitdem gab es nur zwei Starts. 21 der Starts sind Regierungsaufträge, betrachtet man das davon 15 Starts der Dragon sind, die mit 200 Millionen Dollar viermal teurer als ein Falcon 9 Start ist (dessen Preis bei Wiederverwendung nun bei 50 Millionen Dollar leiert) so liegt der Regierungsanteil nun bei einem Rekordhoch von 83 % (90 Millionen Dollar für die anderen sechs Starts für NRO/NASA und 50 Millionen für die 15 kommerziellen Starts angenommen). Den Trend seit Jahresanfang fortgeschrieben (acht Starts, nur zwei neue Aufträge) müsste das Launchmanifest in 3,5 Jahren bei Null angekommen sein. Gut, dann hat SpaceX ja auch ein neues Raumschiff am Start und beschäftigt sich nur noch mit sich selbst und Starlink. PlatzX die erste Raumfahrtfirma die keine Kunden mehr braucht und sich alleine unterhält!

Aber obwohl PlatzX am Regierungstropf hängt, verkündet man das Heil das nun mit dem Starship kommen soll. Woher allerdings das Geld (Musk schätzte die Entwicklungskosten auf > 5 Milliarden Dollar und die müsste man nun in zwei Jahren investieren) herkommen soll lies er offen.

Auch sonst glänzt PlatzX mehr durch Widersprüche, eigentlich nichts Neues, weshalb ich vorschlage Musk soll seine Firma in ParadoX umtaufen. Passt viel besser. Wie bekannt wurde, wollte PlatzX die Nutzlastverkleidung der Atlas von Ruag Space kaufen. Wer ein gutes Gedächtnis hat erinnert sich noch wie Shotwell sich mit dem Argument, die Falcon 9 wäre eine „All American“ Rakete anbiederte und gerade auf diese von der Schweiz produzierte Nutzlastverkleidung und das russische RD-180 verwies. Nun will man sie selbst nutzen?

Komisch, vor allem weil es ja Bergungsversuche der derzeitigen Verkleidung gibt. Was man weiß ist das sie im Verhältnis zur Rakete relativ teuer ist. ULA wehrte sich dagegen, weil sie die Verkleidung als intellectual Property ansehen. So ganz verständlich ist mir das nicht. Der Artikel erwähnt zwar das man diese Verkleidung für bestimmte Nutzlasten braucht. Aber innerhalb ULA gelten Delta und Atlas als austauschbar, mit Ausnahme der Delta Heavy. Die Delta hat eine Fairing von 5,13 m Durchmesser, also noch kleiner als die der Falcon von 5,20 m. Die 20 cm mehr der Atlas (5,4 m) machen nicht den großen Unterschied. Nur bei der größten Version der Verkleidung ist auch der Platz für die Nutzlast mit 16,48 m größer als bei SpaceX. Die Frage ist für mich nur, warum man dann nicht die eigene Verkleidung verlängert. Hat man bei anderen Raketen ja auch so gemacht. Ich sah immer die Begrenzung der Höhe als eine Folge der „Spargelrakete“ an. Zumindest war dies bei anderen Trägern so. Die Lasten durch Schwerkräfte sind um so größer, je länger ein Träger ist. Doch die Atlas Verkleidung, die ja auch die komplette Centaur umgibt, ist selbst in der kleinsten Version 20,7 m lang. Die kleine Verkleidung dürfte vor allem bei der Falcon Heavy ein Problem sein. Für große Satelliten ist sie zu klein und die von der Nutzlast her möglichen Doppelstarts gehen so auch nicht.

Also erneut ein Paradoxon: man ist angeblich billiger und besser als andere weil man alles wiederverwendet auch Verkleidung und will dann doch von der Konkurrenz die Verkleidung.

Immerhin haben sie durch Protest und Lobbyismus einen 500 Millionen Dollar Auftrag gewonnen nachdem die USAF Förderaufträge vergeben hatten und sie nicht dabei waren – offizielle Begründung – sie müssten ja nichts entwickeln sondern haben schon einsatzfähige Raketen. Ist nicht neu. Die meisten Aufträge seitens des DoD haben sie bisher vor Gericht erstritten. Das Dod weiß anscheinend ganz genau was PlatzX für eine Firma ist. Derzeit läuft auch noch ein anderer Prozess, denn sie vom GAO bewusst auf den Court of Federal Claims verschoben haben. Der Grund: Die GAO informiert deutlich mehr über die Klagen. Seit Jahren investiert daher SpaceX immer mehr in Geldzuwendungen fr den Kongress, der diese Entscheidungen dann wie diesen Monat wieder kippt. Dagegen sinken sie bei ULA seit Jahren. Wenn man schon auf legalem Wege keine Aufträge bekommt dann eben mit Bestechung und Prozessen.

Schlagzeilen anstatt Starts, Geheimniskrämerei, Widersprüche, Falschaussagen, Prozessieren gegen den Hauptkunden und vollmundige Versprechungen – ein PlatzX-Monat par exellance.

7.7.2019: Die Sache mit der optischen Datenübertragung

Ebenso lange, wie Ionentriebwerke als Antrieb postuliert werden, denkt man über optische Datenübertragung nach und in den letzten Jahren gab es da auch vermehrt Ansätze. Allerdings beschränkt auf den Erdorbit. Was mich viel mehr interessiert, ist natürlich, wie es bei der interplanetaren Kommunikation aussieht, denn natürlich ist die Datenrate bei Raumsonden ein wichtiger Parameter.

Fangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems:

Fangen wir mit dem Letzten an, denn hier ist der Vorteil offensichtlich. Schon Anfang der Achtziger Jahre sprach Jesco von Putkammer in seinem Buch „Der erste Tag der neuen Welt“ von der Problematik, das es gar nicht genug Bandbreite bei geostationären Satelliten gibt. Das liegt an zwei Punkten. Zum einen das Frequenzband. Damals nutzten die meisten Satelliten das C-Band zwischen 4 und 6 GHz. Das sind 2 GHz Bandbreite, üblicherweise aufgeteilt in Transponder von 30 MHz Bandbreite. Damals wurde analog übertragen und ein Transponder konnte 1000 Telefongespräche übertragen oder einen Fernsehkanal. Das waren pro Transponder Datenmengen unter 10 Megabit/s.

Heute wird digital übertragen, wodurch die Datenmenge pro Transponder viel größer ist, dazu kommt die Komprimierung der Daten. Doch das ist nur eine bessere Ausnutzung der Technologie. Für eine bestimmte zur Verfügung stehende Bandbreite gibt es nur eine maximale Datenübertragungsrate. Bei WLAN erreicht man im Standard 802.11ac pro MHz Kanalbandbreite maximal 5 MBit mit einer Antenne.

Seit Jesco von Puttkamer eine Krise prognostizierte, weil immer mehr Länder einen geostationären Satelliten haben wollten, vorher gab es kaum regionale Systeme, hat sich viel getan und die Krise ist weitestgehend ausgeblieben. Zuerst wurde das Ku-Band von 12 bis 14 GHz zusätzlich genutzt, inzwischen ist auch ein weiteres Frequenzband im höheren Ka-Band zwischen 27 und 32 GHz freigegeben worden. Die Satelliten kommen sich vor allem aber deswegen nicht mehr ins Gehege als damals, weil die Zeit, in der Satelliten die ganze Kontinente abdeckten vorbei ist. Wenn ein Antennenspot nur Deutschland abdecken soll, kann das Frequenzband mehrfach verwendet werden, wenn eine andere Antenne oder ein anderer Satellit auf Frankreich oder Polen ausgerichtet ist. Mit immer größeren Sendeantennen auf den Satelliten wurden die Spots immer kleiner. Das Problem ist heute vielmehr, das auch die neuen Satellitenkonstellationen dieselben Frequenzbänder benutzen wollen.

Es gibt aber nicht unendlich viele neue Frequenzbänder. Schon der Übergang auf das höherfrequente Ka-Band erfolgt nur zögerlich, weil je höher die Frequenz ist, desto stärker wird die Strahlung durch die Atmosphäre absorbiert. Bei 20 bis 30 GHz tut dies schon Wasserdampf. Wolken führen damit zum Kommunikationsabbruch. Bei Tests der Kommunikation mit Raumsonden war das Band nur zu 80 % verfügbar. Beim bisher genutzten X-Band waren es über 97 %. Das kann man begrenzt durch stärkere Sendeleistung kompensieren. Doch das hat dann wieder Auswirkungen auf die anderen Parameter Gewicht und Stromverbrauch.

Ein weiterer Vorteil höherfrequenter Radiobänder ist, dass eine Antenne einer bestimmten Größe einen von der Frequenz abhängigen Öffnungswinkel hat. Verdoppelt man die benutzte Frequenz, so ist der Winkel halb so groß und die abgedeckte Fläche geht auf ein Viertel zurück. Beim Empfänger kommen also viermal so viele Photonen an. Solange man die Sende- und Empfangsantennen genügend genau ausrichten kann, das wird natürlich immer aufwendiger, kann man diesen Vorteil voll nutzen.

Kommen wir nun zur optischen Datenübertragung. Die erfolgt normalerweise über ND:YAG Laser im nahen Infrarot bei 1550 nm Wellenlänge. Das entspricht einer Frequenz von grob 2 x 1014 Hz. Also um den Faktor 60.000 höher als beim höchsten bisher genutzten Frequenzband im Radiobereich von 30 GHz. Das heißt Bandbreite hat man mehr als genug, auch wenn die Lichtquelle ein Laser ist, also eine feste Frequenz hat, die ist aber leicht variierbar durch den piezoelektrischen Effekt. Ein Laser ist auch anders als ein Radiostrahl von sich aus gebündelt. Er weitet sich aber trotzdem auf, bei den Laserstrahlen, die man heute routinemäßig zu den Laserreflektoren von ALSEP-Stationen und Lunochods sendet, sind es einige Kilometer. Die Ursache ist vielfältig. Zum, einen streut die Atmosphäre. Zum anderen ist der Strahl nicht ganz parallel. Sender und Empfänger sind daher mit Teleskopen gekoppelt.

Die Teleskope egalisieren einen Vorteil wieder: sie sind schwer und teuer. Das gilt sowohl für das Bodensegment wie auch Weltraumsegment. Eine Empfangsstation der ESA hat 35 m Durchmesser und kostet rund 30 Millionen Euro. Fürs gleiche Geld würde man nur ein 4 m großes Teleskop als Empfänger bekommen. Daneben sind große Radioantennen viel leichter als Teleskope mit ihren Spiegeln aus Glas. Es reicht ein einfaches Rippengerüst, das man mit einer dünnen Folie überzieht. Bei nicht zu hohen Frequenzen kann man auch entfaltbare Antennen (Größe im Einsatz: bis 14 m) nehmen die nur ein Drahtnetz nutzen – Das Netz muss so fein sein, das die Lücken kleiner sind als die Breite einer Wellenlänge, bei 10 GHz also 3 cm und die Genauigkeit, mit der die Oberfläche einem Parabol folgt – bei entfaltbaren Antennen durch Spannung und streben gewährleistet muss kleiner als 1/5 der Wellenlänge sein, das sind hier 6 mm. Bei einem optischen Teleskop liegen wir dagegen im Bereich von 200 nm.

Der Hauptvorteil von Radioantennen ist aber die Effizienz. Sowohl von dem Strom, den man einsetzen muss und der nutzbaren ausgesandten Leistung wie auch der Effizienz, mit der pro Fläche eingestrahlte Photonen detektiert werden. Hier mal ein Vergleich der Kommunikationssysteme von LADEE und LRO Beides sind Mondorbiter.

Parameter

LRO

LADEE

Sendefrequenz

25,6 GHz (Ka Band)

193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge

Datenrate

228,7 Mbit/s Downlink

622 MBit Downlink, 20 MBit Uplink

Sendeleistung

41,9 Watt Sendeleitung 119 Watt Stromverbrauch (mit S-Band Sendern)

0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)

Durchmesser Sendeantenne

1,00 m

0,10 m

Durchmesser Empfangsantenne

18,3 m

4 x 0.4318 m

Gesamte Bandbreite:

5 GHz

3,9 THz

typische Bandbreite pro Sender

25 - 400 MHz

50 GHz

Gewicht:

56,7 kg (S-Band und Ka-Band zusammen)

29,5 kg

Betrachtet man nur die Parameter Antennengröße beim Sender / Empfänger und die Datenrate, so sieht der Vergleich für das optische System sehr gut aus. Die Sendeantenne ist für das Radiosystem 10-mal größer, die Empfangsantenne ebenso. Beim Gewicht sieht es anders als. Das System wiegt nur knapp doppelt so viel, wobei die Bilanz in der Realität noch besser ist, weil hier auch das S-Band Subsystem in der Bilanz enthalten ist. Ganz besonders auffällig ist die Bilanz beim Strom. Ein Radiokommunikationssystem kann biss zu 40 % der Leistung als Sendeleistung absetzen, beim Laser ist das weniger als 0,5 %. Das ist vor allem bei Raumsonden ein Problem, denn für 10 Watt Sendeleistung reden wir dann schon über Kilowatt Eingangsleistung und die muss las Abwärme auch abgeführt werden.

In der Summe sieht es aber positiv aus: 30 kg Gewicht hier, 7 kg da, trotzdem die dreifache Datenrate. Aber das ist im Radiobereich auch nicht das Ende der Fahnenstange. Der LRO sendet als erste Raumsonde zwar dauerhaft im Ka-Band, während andere Raumsonden es nur sporadisch nutzen, aber er tut das nur, weil die Sendeleistung extrem hoch ist. Skaliert man das Sendesystem der MRO auf dieselbe Distanz und die 34 m Antennen des DSN mit hochempfindlichen Empfängern, so sieht der Vergleich so aus:

 

Parameter

MRO

LADEE

Sendefrequenz

32,2 GHz (Ka Band)

193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge

Datenrate

331 kbit @ 400 Mill km

622 MBit @ 0,4 Mill km

Datenrate in 400.000 km Distanz

326 Gbit

622 MBit

Sendeleistung

34 Watt Sendeleitung 85 Watt Stromverbrauch

0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)

Durchmesser Sendeantenne

3,00 m

0,10 m

Durchmesser Empfangsantenne

34 m

4 x 0.4318 m

Gewicht:

90 kg

29,5 kg

Das LADEE-System hat also einen höheren Stromverbrauch, wiegt zwar dreimal weniger, hat aber auf dieselbe Distanz eine 2000-mal geringere Datenrate. In 400 Millionen km Distanz, der maximalen Distanz zum MRO würde sie auf 622 Bit/s zurückgehen.

Die Begrenzungen betreffen vor allem das Bodensegment. Hier sind schon die Empfangsstationen hochempfindlich, man kann bei Radioantennen sie sogar koppeln, was im Optischen noch nicht klappt. Man müsste also zuerst mal viel Geld in neue optische Systeme investieren. Diese müssten aber nicht so perfekt sein, wie astronomische Teleskope. Man kann damit leben, dass im Brennpunkt die Signale zusammenkommen, sie müssen aber nicht auch noch räumlich exakt auf einer Ebene liegen, weil kein Bild gewonnen wird. Das heißt, einfache parabolische Spiegel reichen aus. Ebenso muss die Nachführung nicht auf Millibogensekunden genau sein. Das alles dürfte die Kosten für ein solches Teleskop drastisch reduzieren, man schätzt auf die Hälfte eines optischen Teleskops für die Astronomie. Trotzdem reden wir immer noch von Teleskopen von 4 bis 10 m Größe und damit Kosten bis zu 70 Millionen Euro pro Stück.

Nachteilig ist auch der größere Einfluss des Wetters. Das stört schon den Funkverkehr im Ka-Band, obwohl alle Bodenstationen in Wüstengebieten mit wenig Wasserdampf in der Atmosphäre und wenigen Wolken sind. Bei Wolken dürfte die Verbindung zu optischen Systemen ganz wegfallen, nicht nur abfallen. Die Sonne ist dagegen weniger ein Problem. Bis maximal 3 Grad konnte man sich bei Experimenten der Sonne nähern, das ist nicht viel schlechter als bei Raumsonden die, wenn sie von der Erde, aus gesehen hinter der Sonne sind, auch von deren Radiostrahlung gestört werden. Das ist zumindest für normale Kommunikationssatelliten ein K.O.-Kriterium: Niemand will auf Fernsehempfang, Telefongespräche oder Internet verzichten, wenn der Himmel bedeckt ist. Für Raumsonden kein Problem, die können die Daten zwischenspeichern und das wird noch unproblematischer mit immer größeren SSD. So setzt erstmals die Parker Solar Probe das Ka-Band als primäres Band ein, weil die Sonde sowieso alle Daten rund um die Sonnenpassage zwischenspeichern muss. Da ist keine Kommunikation möglich und das Ka-Band hat gegenüber dem X-Band auch schon ein Verfügbarkeitsproblem.

Daher konzentrieren sich die Bemühungen auf die Innerorbit-Kommunikation, z.B. von der ISS zu einem geostationären Satelliten oder einem Erdbeobachtungssatelliten zu einem geostationären Satelliten. Dort werden die Daten dann über Radiobänder zur Erde gesandt. Der Hauptvorteil ist eine höhere Verfügbarkeit, für die man sonst viele Bodenstationen bräuchte. Daneben kann man hier auch wirklich die hohen Datenraten ausnutzen – bis zu 10 GBit/s werden für die ISS geplant. Der geostationäre Satellit hat dann zwar das Problem, diese Daten wieder zur Erde zu senden, doch er ist auch viel größer. Wenn er optische Datenübertragung nutzt, kann er, zumindest wenn es auf dem Globus mehrere Empfangsstationen gibt, die wählen, die gerade schönes Wetter hat.

Die Zukunft

In der Summe ist bei Raumsonden bis heute die Radiotechnik noch überlegen. Aber sie ist auch nicht mehr weiter steigerbar. Seit Jahrzehnten liegt der Rekord für frei schwenkbare Radioempfangsantennen bei 100 m Durchmesser. Die größten Empfangsantennen haben 64 bis 70 m Durchmesser. Auch im Frequenzband kann man nicht höher gehen, weil die Absorption immer größer wird. 40 bis 70 GHz werden nur für Intersatellitenkommunikation genutzt. Es würde auch nichts nützen, wenn man die Empfangsantennen ins Weltall schickt. Hier hat man das Problem, das es zwar leichtgewichtige Mesh-Antennen gibt wegen der Entfaltung, die aber nur für niedrige Frequenzen nutzbar sind. Damit wären auch Antennen im Weltraum auf die Größe der Nutzlastverkleidung d.h . kleiner als 10 m bei der SLS, oder kleiner als 5-7 m bei aktuellen Trägern beschränkt.

Demgegenüber wären größere Teleskope in einer Größenordnung, die kompatibel mit heutigen Trägern sind, durch Siliziumkarbidbauweise leicht: Herschels Hauptspiegel wiegt 415 kg und hat 3,5 m Durchmesser ist also größer als der dies 11,4 t schweren Hubble-Teleskops (Herschel wiegt 3,4 t). Für den Mars Communication Orbiter hat man die Daten eines solchen Laserterminals für interplanetare Kommunikation errechnet:

Gemessen an den Parametern ist das System rund 37-mal effizienter als das System von LADEE. Auf der anderen Seite: Der MRO kommt mit konventioneller Technik, die man sowieso für den Rückkanal (Kommandos, Softwareupdates müssen unabhängig vom Wetter überspielt werden können und zudem ist nur mit Radioantennen auch eine Kommunikation wenn auch mit niedriger Datenrate möglich, wenn man Rundstrahlantennen nutzt) benötigt auf 1/3 dieser Datenrate ohne weitere Investitionen ins Bodensegment tätigen muss.

Ich sehe daher die Zukunft in der Kommunikation im All zwischen Satelliten untereinander oder Raumsonden zu Satelliten. Ein Teleskop mit 4 m Durchmesser, etwas kleiner als das 5-m-Teleskop von Hale würde rund 600 kg wiegen, ein Satellit das es einsetzt rund 2000 kg. Damit wäre eine Datenrate dreimal höher als derzeit beim MRO möglich oder wenn man es auf New Horizons einsetzen würde, die derzeit 6,5 Mrd km von uns entfernt ist, eine Datenrate von 3 kbit/s erlaubt. New Horizons sendet mit einer 2-m-Antenne und 10 Watt zu 70 m Empfangsantennen mit 1 kbit/s. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass beim obigen Marsterminal der Empfänger auf der Erde ist – im Weltall wäre sicher die Datenrate nochmals höher.

8.7.2019: Das Space Shuttle – Upgrademöglichkeiten

Das Space Shuttle unterscheidet sich von anderen US-Trägersystemen nicht nur darin, das es bemannt ist, sondern das es auch das einzige ist, das 30 Jahre lang weitestgehend unverändert gebaut wurde, etwas was man sonst nur von der Konkurrenz in Europa, China und vor allem Russland kennt. Das hängt natürlich zusammen. Denn die Sicherheitsanforderungen verhindern zwar nicht Änderungen, aber sie machen sie langwierig und teuer. Ich will heute mal beleuchten, welche Möglichkeiten es gab und was die gebracht haben, die umgesetzt wurden.

Der Orbiter

Der Orbiter war zweierlei: wiederverwendbares Gefährt und Nutzlastspitze. Das grundlegende Problem des ganzen Systems war, das er mit den Orbit gelangte. Im optimalen Fall machte der Orbiter 70 % der Gesamtmasse aus. Daraus war klar, das schon bei geringfügig höheren Anforderungen, wie höherer Orbit und höhere Inklination die Nutzlast stark absank. Gerade an ihm konnte man aber wenig ändern. Es gab viele kleine Änderungen so ein neues Cockpit, die Zahl der Hitzeschutzkacheln wurde reduziert. Aber sie veränderten nicht viel an der Gewichtsbilanz. Das Grundproblem gab es schon beim Jungfernflug. Geplant sollten die Fähren leer rund 68 t wiegen. In der Realität waren es 78 bis 82 t. Also 10 bis 14 t mehr. Das bedeutete, das die Nutzlast im gleichen Maße sinken musste, also auf 16 bis 20 t maximal. Die Columbia war rund 4 t schwerer als die folgenden. Die Challenger 3 t. Die folgenden Orbiter erhielten dann schon Verbesserungen und waren leichter.

So begann man schon bei der Entwicklung mit Upgrades. Das einzige System, bei dem das aber ging, waren die Haupttriebwerke. Dies geschah durch den Brennkammerdruck und damit dem Schub. Die ersten fünf Flüge erfolgten mit den ursprünglichen Triebwerken. Danach folgte die erste Generation mit verringertem Wartungsaufwand. Die NASA plante ein Upgradeprogramm, bei dem der Schub auf 109 % mit 112 % in Notsituationen anstieg. Das hätte zusammen mit LWT die Nutzlast bei den beiden leichteren Orbitern Discovery und Atlantis auf 28,7 t angehoben, nahe der Vorgabe von 29,5 t. Nach dem Verlust der Challenger hatte Sicherheit Vorrang und die Bemühungen gingen nun auf eine höhere Zuverlässigkeit, sodass man auf den höheren Schub verzichtete. Bei der SLS werden die Triebwerke aber in dem 109 % Niveau betrieben. Beim Space Shuttle waren es nur 104,5 %. Jedes Prozent mehr steigerte die Nutzlast um 600 kg.

Die Feststoffbooster

Die Feststoffbooster basierten auf der Technik der Titan 3 Booster. Sie bestanden, wie diese aus Stahlsegmenten die man durch Steckverbindungen zum Boostergehäuse verband. Neu war nur die hydraulisch schwenkbare Düse, anstatt einer Sekundärinjektion. Ebenso verwandten die Booster die alte Treibstoffmischung auf Basis von PBAN.

Es gab den Plan sie durch neue Booster auf Basis der Technologie der Titan 4B Booster zu ersetzen. Diese verwendeten CFK-Werkstoffe für das Gehäuse und eine aluminiumreichere Mischung mit dem Binder HTPB. Die Titan 4 Booster waren gegenüber ihren Vorgängern leichter, hatten einen höheren Brennkammerdruck und die Mischung hatte auch einen höheren spezifischen Impuls. Sie kamen nicht über das Projektstadium heraus, obwohl die Planungen noch von konservativen Annahmen ausging (Reduktion der Masse um 11,3 t entsprechend 15 % - als man bei der Ariane 5 analoge Pläne hatte, sollte CFK-Booster die Leermasse um 30 % senken) lies man die Pläne 1993 fallen. Selbst spätere Pläne nur die bisherigen Booster zu redesignen, indem man die Zahl der Segmente halbiert und diese verschweißt, analog, wie man dies bei Ariane 5 bei den Boostern der Evolution Variante tat und die Treibstoffmischung auf HTPB umzustellen wurden fallen gelassen. Diese Booster hätten die Nutzlast um 5,4 t erhöht.

Für die Versorgung der ISS und die letzten Flüge hatte man schließlich noch die Idee, die Booster um ein Segment zu verlängern also von vier auf fünf. Das war unkritisch möglich, beeinflusste das Restsystem kaum und vor allem war es technisch einfach umsetzbar. Die Nutzlast wäre vor allem durch geringere Aufstiegsverluste um 9,1 t für die ISS gestiegen. Nachdem die Columbia verloren ging, wurde aber das ganze Programm eingestellt und damit auch die 5-Segment-Booster die nun bei der SLS zum Einsatz kommen.

Der externe Tank

Bei praktisch allen US-Trägerraketen wurde der Tank verlängert. Der Schritt ist normalerweise am einfachsten möglich und durch den hohen Schub der Feststofftriebwerke gab es auch die Reserven dafür. Doch das war wegen der Geometrie nicht möglich. Der Orbiter hing am Tank - seine Last von 114 t Gewicht plus der Schub der Triebwerke von maximal 600 t wurden auf den Tank übertragen und das ging nur, wenn dies an Punkten geschah, wo dies möglich war. Das war in der Zwischentanksektion und am Heck. Hier gab es drei Träger mit Verbindungen zum Orbiter. Daher gab es auch keinen Integraltank. Durch die fixen Positionen konnte man den Tank nicht verlängern. Man konnte ihn nur im Durchmesser vergrößern. Doch dann musste man an der Startbasis einiges ändern, da die Triebwerke ja fest vorgegebene Löcher im Sockel hatten. Das blockierte diese für Starts während der Umbauten. Das Haupthindernis war aber eine aufgebaute Fertigungsstraße für einen Durchmesser von 8,38 m. Die wäre nicht mehr nutzbar gewesen und die Investitionen in die Straße waren sicher auch der Grund, warum die SLS-Kernstufe denselben Durchmesser hat. Das Einzige was man machen konnte war das Leergewicht zu senken. Bei den Testflügen war der Tank weiss angestrichen. Darauf verzichte man später. Das alleine sparte 272 Kilogramm ein. Die orangene Oberfläche ist eine Reminiszenz an die ersten Trägerraketen, die als ICBM auch noch keinen Anstrich hatten, wie die ersten Atlas. Es folgte der LWT (Lightweight-Tank), bei dem man die strukturellen Maximalbelastungen absenkte und so 4,5 t Gewicht einsparte. Da der Tank fast einen Orbit erreicht, erhöht eine Reduktion des Leergewichts um 4,5 t die Nutzlast um 4,2 t. Der Rest entfällt auf mehr Treibstoff, den der Orbiter für das Erreichen und Verlassen der Umlaufbahn benötigt.

Mit dem SWLT flogen die Fähren über 25 Jahre lang. Erst mit dem Aufbau der ISS reichte er nicht mehr aus. Man ging nun beim Wasserstofftank, der rund die Hälfte der Masse des Tanks ausmacht auf die Lithium-Aluminiumlegierung 2195 über, und machte ihn um weitere 2,7 t leichter. Ebenso verringerte man die Masse der Zwischentanksektion durch ein neues Schweißverfahren. Der Tank ist daher das einzige System, das im Laufe der Einsatzgeschichte stark verbessert wurde. Alle Maßnahmen zusammen senkten seine Masse um 7,2 t, die 6,7 t mehr Nutzlast entsprechen. Ohne sie wäre die Nutzlast für die ISS auf 12 t abgesunken.

Oberstufen

Das Space Shuttle war als System nur fähig keinen niedrigen Erdorbit zu erreichen. Bedingt durch die hohe Leermasse des Orbiters sank die Nutzlast sowohl bei höherer Inklination wie auch höherer Bahnhöhe stark ab. Bei sonnensynchronen Bahnen so um 15 t und bei der Bahnhöhe von 611 km des Hubble Weltraumteleskops um 13 t. Man benötigte also Oberstufen. Als das Shuttle ausgeschrieben wurde, evaluierte man die Optionen. Es gab Vorschläge bestehende Oberstufen anzupassen so Agena, Transtage und Centaur und für neue Oberstufen. Man dachte sogar noch weiter und plante ein System, das Satelliten (Erderkundungs- und Wettersatelliten) in einem höheren Orbit einfängt zur Wartung oder Bergung in einen niedrigen Orbit bringt und dann wieder dorthin transportiert. Das System geriet in die Schlagzeilen, als man damit die Raumstation Skylab retten wollte. Doch es hatte dasselbe Problem wie die Oberstufen – die NASA hatte das Problem schon das Shuttle zu finanzieren. Sie stellte alle Entwicklungen zurück. Die einzige Oberstufe, die entwickelt wurde, stammte vom Militär und war die IUS.

Auf dem Papier war die IUS eine die ideale Oberstufe für das Space Shuttle. Sie war eine zweistufige Feststoffoberstufe und damit kompakt und lies viel Platz für die Nutzlast. Zudem waren feste Treibstoffe sicher, konnten ohne Zündung nicht explodieren. Der spezifische Impuls war vergleichsweise hoch und wenig kleiner als bei Stufen mit lagerfähigen flüssigen Treibstoffen. Doch das war auf dein Papier. Die IUS sollte etwas leisten, was sonst keine Feststoffoberstufe leisten sollte – einen Transport vom LEO in den GEO mit hoher Präzision. Dazu war sie dreiachsenstabilisiert und hatte ein eigenes RCS und Steuerung. Das machte sie zum einen teuer und zum anderen war die Leermasse hoch. Schon die Entwicklung war teuer und die Oberstufe ebenso.

Die zweiet Oberstufe war die Centaur. Die NASA entschloss sich für eine Anpassung der Centaur D, bei der der Wasserstofftank auf den Durchmesser der Nutzlastbucht erhöht wurde. Es gab zwei Versionen mit unterschiedlich langen Tanks. Die kleinere für schwere Nutzlasten der Air Force und die größere für Raumsonden der NASA. Obwohl die Centaur in der Beurteilung geringe Risiken bescheinigt wurden, bekam sie nach dem Challengerunglück Startverbot. Das Problem war nicht die Stufe. Keine Centaur war jemals explodiert, nicht mal, als sie durch Fehler vorzeitig abgeschaltet wurde wie beim Start von Mariner 8. Das Problem waren die Abbruchszenarien. Denn dann waren Centaur und Nutzlast viel schwerer als die 14,5 t die maximal gelandet werden dürften. Dann hätte man die Treibstoffe teilweise während einer Notlandung ablassen müssen und das ist doch riskant.

So fehlte eigentlich eine adäquate Oberstufe. Meiner Ansicht nach war von den Konzepten die man untersuchte die Agena die beste Möglichkeit gewesen. Die Agena hatte gegenüber der Transtage durch die aktive Förderung ein geringeres Trockengewicht. Man hätte sie auf die moderne Mischung NTO/UDMH umgestellt und die Düse des Triebwerks verlängert. Es waren zwei Versionen gedacht, bei der die zweite abwerfbare Zusatztanks hatte. Durch dieses Konzept hätte man die Stufe leicht wiederverwenden können, indem man einfach neue Zusatztanks anbringt. Ein Pendelverkehr zwischen GTO/LEO und GEO/LEO war geplant. Selbst dann noch hätte man knapp 1.800 kg (IUS: 2270 kg) in den GTO transportieren können. Bei Verzicht auf die Wiederverwendung wären es sogar 6 t gewesen. Der einzige Nachteil dieser Agena mit Zusatztanks war, dass sie 1,2 m länger als eine Transtage als Konkurrenzmodell war. Man hätte nicht mehrere Agenas auf einem Flug transportieren können.

Die ersten kommerziellen Flüge wurden dagegen von der PAM-D dominiert. Die PAM-D wurde als Oberstufe entwickelt, die nur einen Satelliten der Delta Klasse von einem LEO in einen GTO transportiere. Dort zündete der Satellit seinen eigenen Antrieb. Es gab auch Pläne für ein PAM-A mit der Nutzlast der Atlas. Die GTO-Bahn reichte für kommerzielle Satelliten mit integriertem Antrieb völlig aus. Theoretisch konnte ein Shuttle bis zu vier dieser Satelliten befördern. Maximal wurden drei mitgeführt. Nach dem Challenger Unglück wurde auch dieser Transport eingestellt. Die wenigen verbliebenen Starts setzten dann die IUS ein.

40 Jahre später – nichts dazu gelernt

Nun entsteht ja ein Space Shuttle 2.0 genannt Starship. Und es scheint als wiederhole sich die Geschichte. Noch vor dem ersten Flug sinkt die Nutzlast drastisch ab. Zuerst durch Veränderung der Konfiguration – auch das Space Shuttle war ursprünglich anders geplant mit zwei vollständig wiederverwendbaren mit flüssigen Treibstoffen angetrieben Stufen – dann durch laufendes Ansteigen des Leergewichts. Die BFR sollte mal eine Nutzlast von 250 t haben, nun sind es noch 100 t. Natürlich ist es vollkommen falsch, das Space Shuttle mit dem BFR/Starship zu vergleichen. Denn das Space Shuttle war ursprünglich mal klein geplant mit 12 t Nutzlast und wurde erst durch Eingehen auf die USAF so groß um dann wieder Nutzlast zu verlieren – aber in moderatem Maße. Die BFR wurde dagegen laufend in der Nutzlast gesenkt, indem sie zuerst kleiner wurde und später schwerer. Sie transportiert zudem nur 20 % der Nutzlast in den GTO und 0 % in den GEO, das Shuttle mit Centaur G dagegen 37 % in den GTO und 21,5 % in den GEO. Kurz: das so beschriene Space Shuttle ist um einiges besser als die BFR. Es kommt nur auf den Vergleich an. (SpaceX Fans werden dann die Kosten nehmen, das ist das Schöne an Vergleichen ist: man muss sich nur mit dem richtigen vergleichen oder wie es so schön heißt: unter den Blinden ist der Einäugige König).

9.7.2019: Quarks – Wettlauf zum Mond

Ich habe ja schon mal was über den Niedergang der Sendung Quarks geschrieben. Gestern kam dann eine erweiterte Wiederholung der Sendung zu Apollo 8, nur eben mit einigen neuen Filmen. Besonders stieß mir eines übel auf, das war ein Film über einen angeblichen Wettlauf zum Mond.

Ich vermute mal die Redaktion hat den Fehler gemacht dafür Eugen Reichl anzurufen, denn da steht in seinem Artikel in der aktuellen SuW genau dasselbe drin. Ich halte von Reichl, der nach Angaben seiner Firma mit der Ausarbeitung von Verträgen beauftragt ist, (was er bei seiner Vita „Angestellter eines Raumfahrtkonzerns“ gerne verschweigt) nicht viel. Das liegt daran das in den drei Büchern, die ich von ihm bisher habe festgestellt habe, das er sich extensiv von meiner Website bedient hat. Wenn ich was entdeckt habe, was nicht von mir stammt, stimmt es nicht. So auch in dem Aufsatz. Danach soll die NASA die Entdeckung von Wasser durch Lunar Prospektor verheimlicht haben. Das kam damals aber groß in den Schlagzeilen und wenn er schreibt, die unbemannten Missionen der USA haben „Feine Wissenschaft betrieben aber sonst nichts“. Dann frage ich mich, was er von Sonden denn erwartet.

Reichl schreibt von einem angeblichen neuen Wettlauf zum Mond und der Film von Quarks hat genau dasselbe Thema. Es sei ein Wettlauf zwischen folgenden Akteuren:

Oha, da muss ich was versäumt haben. Fangen wir mal mit dem schwächsten Kandidaten an: Russland. Russland soll eine Station auf dem Mond errichten. Okay, jetzt, nachdem ich euch ausgelacht habt. Wer nur Basiswissen der Raumfahrt hat, weiß Russland in Sachen Raumfahrt inzwischen weit zurückgefallen. Mein persönlicher Dauerjoke ist: Nauka ist zwei Jahre vom Start entfernt – und das schon seit 2009. Russland bekommt es nicht mal fertig ein Modul, das aus einem Mir-Modul entstand, in 20 Jahren fertig zu bauen. Die Mission Spektr-RG die nun startet wurde 1989 angekündigt. 1993 wurde mit dem MPI ein Vertrag abgeschlossen, damit sie das Hauptinstrument eRosita bauen. Und nun 30 Jahre später ist der Satellit startfertig. Muss man mehr über Russlands Fähigkeit eine Mondmission durchzuführen sagen?

Dann zu China. Natürlich hat China in den letzten Jahren einige Missionen zum Mond durchgeführt. Das war es aber auch. China hat zwar steil ansteigende Startraten. Doch das sind vor allem Anwendungs- und Militärsatelliten. Es gibt nur ein kleines wissenschaftliches Programm. Auch bei den Raketen sieht man dies. Entwickelt werden vor allem Rapid Response Vehikel. Das sind Raketen, die man schnell starten kann, um im Falle eines Konfliktes schnell Satelliten zu starten, aber auch andere Satelliten zu zerstören. Sie passen zu einer militärischen Aufrüstung und Bestrebungen den eigenen Machtbereich auszudehnen – militärisch wie bei Drohungen gegen Taiwan und Besetzung von Felsen im chinesischen Meer wie auch wirtschaftlich. China hat die Shenzhou-Raumschiffe gestartet und eine kleine Miniraumstation. Doch seit Jahren passiert da nichts mehr. Auch die neuen Träger der Serie Langer Marsch 5 bis 7 werden nur sehr langsam eingeführt. Es gibt Studien für eine Schwerlastrakete, aber keinerlei Pläne.

Bei SpaceX hat man auch schlecht recherchiert. Ihnen ist entgangen, dass der präsentierte Milliardär inzwischen pleite ist und SpaceX schon mal eine Mondmission angekündigt hat – die sollte inzwischen genauso stattgefunden haben wie die Red Dragon zum Mars. Aktuell hat SpaceX die seit seiner Ankündigung laufend geschrumpfte Nutzlast des Starships nun auf 100 t in den LEO und 20 t in den GTO reduziert. Wer auf diese starke Abnahme zwischen den beiden Orbits schaut, dem wird klar, schon ohne Nutzlast kommt es nicht zum Mond. Trotzdem kündet der Beitrag an, das SpaceX sogar ein Hotel in einer Umlaufbahn um den Mond plant, das von dem Starship regulär angeflogen wird. Das war sogar mir neu. Ich habe auch beim Suchen im Internet nichts darüber gefunden.

Der Artikel hat auch jede Menge Unsinn. So wird eine von Trump ins Leben gerufene Space Force als NASA-Einheit angegeben. Zum einen ist es eine militärische Einheit des DoD und zum zweiten hat es gar nichts mir dem Mond zu tun sondern Satelliten zu schützen oder andere Nationen. Vor allem unterscheidet er nicht verschiedene Dinge wie Mondlandesonden, Mondvorbeiflug, Station im Mondorbit oder Basis auf dem Mond (die plant übrigens anders als Quarks meint, niemand).

Eine Frage sie sich mir stellt: wäre ein Wettrennen heute überhaupt wünschenswert? Es passt eigentlich nicht in unsere heutige Zeit, in der Nationen immer mehr zusammenarbeiten und Nationalisten wie Donald Trump überall nur anecken. Ich halte es auch aus einem anderen Grund nicht für wünschenswert. Webb, NASA-Administrator während des Apollo-Programms brachte es fertig, das das Apollo-Programm zusätzliche Mittel bekam. In diese Zeit fallen auch viele NASA-Programme wie die Mariner und Pioneer Sonden, die OSO, OGO und OAO-Satelliten. Das „unbemannte“ NASA-Programm wurde nicht reduziert. Heute wäre das Gegenteil der Fall. Zumindest bei der NASA – China und Russland haben ja kein Forschungsprogramm, das sie kürzen, können und SpaceX auch nicht.

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