Wiederverwendbare Raketen für den Mars? – erste Stufe der Falcon 9 weich gelandet

Wiederverwendbare Raketen, die die Startkosten um den Faktor 10 oder 100 reduzieren würden -wie von Elon Musk und Space X angestrebt-, könnten dem Raumtransport ganz neue Perspektiven eröffnen. Wenn die Technik der Rückführung von Raketenstufen erst einmal beherrscht würde, so die Überlegung von Space X, könnten zum Beispiel auch große Lasten wie komplette Habitate auf dem Mars abgesetzt werden. Dafür gibt es bisher keine technischen Lösungen. Die bisher größte auf dem Mars abgesetzte Last ist bisher CURIOSITY mit gerade einma 1 t Masse. Fallschirme scheiden in der dünnen Marsatmosphäre -mit etwa 1/100 der Dichte der Erdatmosphäre- für große Lasten aus.

SpaceX’s concept for its Dragon spacecraft landing on Mars, using thrusters to slow itself down. Image: SpaceX

Elon Musk, der Space X Besitzer, CEO und Chefdesigner mit dem Ziel bemannter Marsmissionen und Marsbesiedlung, hat deshalb die Entwicklung möglichst vollständig wiederverwendbarer Raketen als erklärtes Ziel seiner Entwicklungen benannt, da hiermit grundsätzlich große Lasten auf dem Mars abgesetzt werden könnten. Musk will aus der Falcon 9 und besonders auch aus der dafür besser (und auch für Marsmissionen) geeigneten Falcon Heavy einen wiederverwendbaren Träger machen. Er strebt eine Kostenreduzierung um einen Faktor bis zu 100 an. Das wären für die Falcon 9 statt 60 Mio $ nur noch 600.000 $. Dabei betragen die reinen Treibstoffkosten etwa 200.000 $.

Der erste Versuch der Landung einer ersten Stufe der Falcon 9 im September 2013 war ein Teilerfolg. Jetzt gelang es Space X am 18. April als „Abfallprodukt“ ihrer Mission zur ISS in einem zweiten Versuch, die erste Stufe einer Rakete zur Erde zurückzuführen mit einer weitgehend „weichen“ Landung, die allerdings wie geplant im Meer endete. Bei weiteren Missionen der Falcon 9 soll die erste Stufe sukzessive zum Startplatz zurückgebracht werden.

Warum wiederverwendbare Raketen?

Die Entwicklung aerodynamisch startender und landender Raumtransporter hat sich als technisch nicht darstellbar oder zu aufwendig erwiesen (HOTOL, SAENGER), oder hat sich, im Fall des SHUTTLE, als nicht wirtschaftlich herausgestellt. Ohne Zweifel lassen sich nur bei voller Wiederverwendung einer Rakete die Startkosten wesentlich reduzieren, wobei „wesentlich“ tatsächlich eine Reduktion um den Faktor 10 bis 100 wäre. Der Weg dahin ist jedoch noch sehr weit. Bisher erreichen nämlich Raketenmotoren auch nicht annähernd eine Betriebszuverlässigkeit, die eine Wiederverwendung bis zu 100 mal ohne aufwendige Wartung erlauben würde.

Das Problem bei der Entwicklung von Raketen besteht darin, dass nur mit einer an die Grenze getriebenen Leichtbauweise und Technik ein brauchbares Verhältnis von Gewicht der Rakete zur Nutzlast erreicht werden kann. Als „Hausnummer“ kann man von etwa 1% Nutzlast der Startmasse ausgehen. Schuld sind die Erdbeschleunigung von 1 g und die zu durchquerende Erdatmosphäre. Da tut man sich am Mars leichter mit rund 1/ 3 der Anziehungskraft und einer um den Faktor 100 dünneren Atmosphäre.

Bei wiederverwendbaren Stufe erhöht sich die Startmasse noch um den für die Rückführung erforderlichen Treibstoff plus die erforderlichen Elemente für den Abstieg und die Landung. Die zurückzuführende Raketenstufe muss also bei gleicher Nutzlast leistungsfähiger und damit schwerer werden. Für 2. oder 3. Stufen wird die Zurückführung ungünstiger als für die 1.Stufe, da deren Brennschluss in viel größerer Höhe und Entfernung erfolgt. Eine Landung der verschiedenen Raketenstufen an unterschiedlichen Orten entsprechend der Position der Stufen bei Brennschluss ist nämlich auszuschließen, da eine Zusammenführung der Stufen am Startplatz die Kosten der Wiederverwendung stark erhöhen würde. Eine Landung im Ozean würde eine Stufe kaum überleben.

Die von Musk angepeilte Kostenreduzierung bei einer Wiederverwendung wird also nur dann „preiswert“, wenn alle Stufen zum Landeplatz zurückgeführt werden und weitgehend wartungsfrei bleiben bei bis zu 100 Starts.

Nach bisherigem Stand der Technik wäre eine Wiederverwendung einer Stufe nur mit erheblichen Wartungsarbeiten und Ersatz empfindlicher Teile der Rakete denkbar. Das betrifft besonders die Triebwerke. Schon für den SHUTTLE Orbiter wurde eine volle Wiederverwendbarkeit von dessen Triebwerken angestrebt und die Triebwerke auch dafür ausgelegt. In der Praxis hat sich dann aber gezeigt, dass aus Sicherheitsgründen die Triebwerke nach jeder Mission fast vollständig zerlegt und untersucht und Teile ausgewechselt oder total überholt werden mussten. Bisher hält man es deshalb für wirtschaftlicher, eine „gebrauchte“ Rakete wegzuwerfen. Bis zu 100 mal ohne erheblichen Wartungsaufwand wiederverwendbare Stufen müssten erheblich anders ausgelegt werden als herkömmliche.

Man darf gespannt sein, wie Space X diese Problematik in den Griff bekommen will.