Raumfahrt : Recycling für Raketen

Moderne Raketen können nur ein einziges Mal eingesetzt werden. Dann verglühen oder zerbrechen sie. Der Internetmilliardär Elon Musk will das ändern – und so den Zugang zum All revolutionieren.

Alexander Stirn
2014 flog ein Prototyp der Firma SpaceX namens „Grasshopper“ 325 Meter hoch und landete dann wieder auf der Startrampe.
Hoher Hüpfer. Im vergangenen Sommer flog ein Prototyp der Firma SpaceX namens „Grasshopper“ 325 Meter hoch und landete dann wieder...Foto: SpaceX

Mit viel Getöse startet die Rakete in den Himmel. Im All setzt sie einen Satelliten aus. Sie dreht sich, zündet erneut ihre Triebwerke, wird langsamer, tritt wieder in die Erdatmosphäre ein, manövriert, behält ihre aufrechte Position bei und landet schließlich sanft unweit der Startrampe. Zu all dem pochen die Bässe der britischen Band Muse. „Uprising“ – „Aufruhr“ heißt das programmatische Lied.

Das animierte Werbevideo der wiederkehrenden Rakete ist eine Zukunftsvision der Firma SpaceX. Alle heute eingesetzten Trägerraketen sind Einwegware. Sie transportieren ihre Fracht ins All und zerbrechen beim Rücksturz zur Erde, verglühen oder plumpsen ins Meer. Es ist, als würde man von Berlin nach London fliegen und die nagelneue Maschine anschließend verschrotten, eine riesige Verschwendung.

Elon Musk, Gründer und Chefentwickler der kalifornischen Raketenschmiede SpaceX, will das ändern. Die nächste Generation seiner „Falcon“-Rakete soll nach getaner Arbeit nicht verglühen, sie soll sich stattdessen viele hundert Male nutzen lassen: sicher, zuverlässig und deutlich günstiger als aktuelle Raketen.

Der Südafrikaner, der seine Milliarden mit dem Verkauf des Internet-Bezahldienstes PayPal gemacht hat, möchte mit der neuen Technologie die Raumfahrt umkrempeln. „Wenn wir es schaffen, Raketen genauso effizient wiederzuverwenden wie Flugzeuge, würde das die Kosten für einen Flug ins All um den Faktor hundert reduzieren“, sagt Musk. „Das wäre der lange ersehnte Durchbruch, um den Zugang zum Weltraum zu revolutionieren.“

Die Spritkosten sind nur ein winziger Bruchteil

Wer mit einer konventionellen „Falcon 9“ von SpaceX starten will, muss derzeit lauf offizieller Preisliste 56 Millionen Dollar (etwa 40 Millionen Euro) bezahlen. Drei Viertel davon entfallen auf die erste Stufe, die bei dem Test Mitte April erstmals zur Erde zurückgekehrt ist. Die Spritkosten machen dagegen nur etwa 0,2 Millionen Dollar aus. Könnte eine Rakete tausendmal benutzt werden, würden die reinen Anschaffungskosten pro Start auf 50 000 Dollar sinken, argumentiert Musk. Selbst nach Addition von Sprit- und Wartungskosten wären die Flüge um ein Vielfaches preiswerter als heutige Starts.

Ein erfolgreicher Testflug im April hat gezeigt, dass SpaceX technisch auf einem guten Weg ist. Das Video, das den Fortschritt belegen soll, ist längst nicht so aalglatt wie die Werbe-Animation. Es ist unscharf, es hat Aussetzer. Und doch zeigt es, zumindest schemenhaft, eine Premiere in der Raumfahrt. Es lässt erahnen, wie eine von SpaceX entwickelte Raketenstufe über dem Atlantik kontrolliert abstürzt, dann nochmals ihre Triebwerke zündet, Wasser aufwirbelt und schließlich auf der stürmischen Meeresoberfläche aufsetzt. „Noch acht Sekunden nach dem Kontakt mit dem Wasser lieferten unsere Flugcomputer Daten“, twitterte Musk nach dem Test.

Musks neue Rakete unterscheidet sich äußerlich kaum vom aktuellen Flaggschiff des Konzerns, der „Falcon 9“. Auch die Mehrwegvariante hat zwei Stufen, kann knapp fünf Tonnen in den Erdorbit wuchten, fliegt mit Kerosin und flüssigem Sauerstoff. Lediglich die vier ausklappbaren Landebeine aus Kohlefasern, die sich beim Start an den schlanken Rumpf der Rakete schmiegen, zeugen von einer besonderen Mission.

Kleine Düsen steuern die Rakete zurück zum Startplatz

Die beginnt in etwa 80 Kilometer Höhe. Die ausgebrannte erste Stufe, gerade vom Rest der Rakete getrennt und mit sechsfacher Schallgeschwindigkeit unterwegs, dreht sich um 180 Grad und zündet erneut drei ihrer neun Triebwerke. Die Geschwindigkeit, ursprünglich 11000 Kilometer pro Stunde, nimmt rapide ab. Unweigerlich stürzt der Zylinder in die immer dichter werdenden Schichten der Atmosphäre, wird weiter abgebremst und von seinen Steuerdüsen stabilisiert. Wo gewöhnliche Raketen taumeln und zerbrechen, fällt die wiederverwendbare Variante kontrolliert in Richtung Erde. Kleine Düsen steuern sie zum Ausgangsort zurück. Die Rakete klappt ihre knapp acht Meter langen Landebeine aus, tänzelt auf dem Abgasstrahl und setzt schließlich sanft auf.

Schon dieses Jahr im Herbst könnte eine ausgebrannte Raketenstufe aus einer Höhe von 80 000 Metern und mit zunächst zehnfacher Schallgeschwindigkeit zu ihrem Startplatz zurückfliegen. Nächstes Jahr könnte dann die erste gebrauchte Rakete abheben.

Es wäre eine der größten Neuerungen in der Geschichte des Raketenbaus. Raketen haben Menschen zum Mond gebracht und transportieren heute routinemäßig Satelliten ins All und Astronauten zur Internationalen Raumstation (ISS). An dem zugrunde liegenden Prinzip hat sich dabei kaum etwas geändert, seit der US-Forscher Robert Goddard im März 1926 die erste von flüssigem Treibstoff befeuerte Rakete in 14 Meter Höhe katapultierte. Egal ob bei Goddards Minirakete oder der 3000 Tonnen schweren Saturn V, die in den 1960er Jahren zum Mond geflogen ist: Treibstoff wird an Bord der Rakete verbrannt und mit großer Geschwindigkeit ausgestoßen. Durch die nach hinten weggeschleuderte Masse wird die Rakete nach vorne beschleunigt, ähnlich einem Luftballon, den man aufbläst und dann loslässt.

Je schwerer eine Rakete ist, desto mehr Treibstoff wird benötigt. Aber der zusätzliche Sprit, der nur nach und nach verbrennt, erhöht das Gewicht abermals. Genau dieses physikalische Problem macht Elon Musk zu schaffen: Um der irdischen Schwerkraft zu entkommen, ist so viel Energie (und somit Treibstoff) nötig, dass bei typischen Raketen lediglich drei Prozent der Gesamtmasse für die Nutzlast übrig bleiben, also etwa für den Satelliten, der ins All gebracht werden soll. Diese Reserve wird bei wiederverwendbaren Raketen vom Treibstoff für den Rückflug, vom Gewicht der Landebeine und von stärkeren, hitzebeständigen Strukturen aufgefressen.

SpaceX will dies durch besonders leichte und stabile Materialien kompensieren. Trotzdem wird eine wiederverwendbare „Falcon 9“ etwa 40 Prozent weniger Nutzlast transportieren können als ihre Einwegvariante. Eine geringere Nutzlast bedeutet aber weniger Einnahmen und damit weniger Rendite. „Ich behaupte nicht, dass unser Erfolg garantiert ist“, sagt Elon Musk. „Versuchen werden wir es aber auf jeden Fall.“

Technisch und wirtschaftlich nicht machbar, sagen Kritiker

Er ist der Einzige. Während das eine oder andere Start-up-Unternehmen immerhin versucht, mit flugzeugähnlichen Mehrwegtransportern neue Wege ins All zu beschreiten (siehe Kasten), halten die alteingesessenen Raketenbauer nichts von Wiederverwendung: „Wir haben solche Konzepte viele Jahre lang studiert“, sagt Stefano Bianchi, Leiter der Raketenentwicklung bei der Europäischen Raumfahrtagentur Esa. „Bislang sind wir zu dem Schluss gekommen, dass so etwas technisch und wirtschaftlich nicht machbar ist.“

Musks Rechnung geht nur auf, wenn er viele, sehr viele Raketen startet. Nur dann kann SpaceX, angesichts der geringeren Nutzlast, der geringeren Preise und der damit verbundenen geringeren Margen, nach und nach die hohen Entwicklungskosten hereinholen. Seit Jahren pendelt der Markt für kommerzielle Satellitenstarts allerdings bei 20 bis 25 Aufträgen pro Jahr. Experten sehen wenig Potenzial nach oben.

Musk denkt anders. Er denkt an Startkosten von nur noch 150 Euro pro Kilogramm (verglichen mit den geschätzten 10 000 Euro der europäischen Rakete „Ariane 5“) – und an viele Interessenten, denen das Weltall bislang zu teuer war, die angesichts solcher Preise aber ein Geschäftsmodell wittern.

Neue Märkte, neue Kunden. Die Idee hat sich Musk beim Weltraumtourismus abgeschaut: Die ersten Urlauber im All, wie der US-Unternehmer Dennis Tito, der im Jahr 2001 sieben Tage auf der ISS verbrachte, mussten ihre Mitfluggelegenheiten teuer bezahlen. Etwa 20 Millionen Dollar soll Tito für seinen Sitz in der russischen „Sojus“-Kapsel ausgegeben haben, jenem Raumschiff, mit dem auch professionelle Astronauten ins All fliegen. Die Weltraumfluglinie Virgin Galactic des britischen Milliardärs Richard Branson zielt dagegen auf einen breiteren Markt und will künftig bis zu sechs Passagiere für anfänglich 200 000 Dollar zu einem kurzen Abstecher ins All verhelfen, sofern das weit hinter dem eigenen Zeitplan zurückliegende Projekt endlich in Gang kommt.

Musk setzt weniger auf Touristen als auf neue Satellitenkunden. Deutlich günstigere Starts könnten Firmen anlocken, die Internetzugang aus dem Weltall anbieten wollen, Fotos der Erde verkaufen möchten oder billige Forschung im Erdorbit anstreben und von den derzeitigen Kosten abgeschreckt werden.

Der Hitzeschild der Space Shuttles erwies sich als extrem wartungsbedürftig

Das setzt allerdings voraus, dass wiederverwendbare Raketen, wie Flugzeuge, ohne großen Zeitverlust erneut abheben können. „Wir müssen jedoch bei jedem Start dieselbe Zuverlässigkeit garantieren können. Das geht nur mit einer gründlichen Überholung oder mit zusätzlichen Sicherheitsreserven“, warnt Stefano Bianchi. Der Esa-Ingenieur denkt dabei vor allem ans amerikanische Space Shuttle: Auch die Raumfähre mit ihren Feststoffraketen galt als wiederverwendbar. Letztlich war es aber so aufwendig, den Antrieb jedes Mal zu überprüfen und aufs Neue herzurichten, dass Wegwerfbooster nicht viel teurer gekommen wären. Zudem war die Raumfähre mit ihrem Hitzeschutz, der den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre erst möglich gemacht hat, derart komplex, dass Ingenieure die meiste Zeit mit Wartungsarbeiten verbrachten. Statt Tage vergingen Monate zwischen zwei Shuttle-Starts.

SpaceX hat sogar noch ambitioniertere Pläne. Weniger als zehn Stunden sollen in Zukunft zwischen der Landung einer benutzten Rakete und dem erneuten Start vergehen, so die Vorgabe von Elon Musk. Das wäre fast so schnell wie bei einem heutigen Großraumjet, der nach erfolgreicher Landung gereinigt, aufgetankt und neu beladen werden muss, was auch mehrere Stunden dauern kann.

Wie realistisch all das ist, wird sich zeigen, wenn SpaceX die erste aus dem Weltraum zurückgekehrte Stufe im Detail analysieren kann. „Auf dem Papier funktioniert es“, sagt Musk. „Jetzt müssen wir beweisen, dass Simulation und Realität übereinstimmen.“ Man könnte auch sagen: Die Zeit für Werbevideos ist vorbei.

Die Firma SpaceX stellt die „Falcon“-Raketenreihe her. Die nächste Generation soll in der Lage sein, nach getaner Arbeit wieder auf der Erde zu landen. Die Hoffnung: Die Raumfahrt könnte so billiger werden.

Andere Firmen verfolgen deshalb ganz andere Konzepte. Sie bauen zum Beispiel Raketen, die einen Teil des Weges auf dem Rücken eines Flugzeugs zurücklegen.

Die Rakete muss dafür aber zusätzlichen Treibstoff und Landebeine an Bord haben. Dadurch bleibt noch weniger Platz für die Nutzlast, die ins All gebracht werden soll.

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