bemannte Raumfahrt: Neue Konzepte für ferne Ziele

bemannte Raumfahrt: Neue Konzepte für ferne Ziele

 

Mit der Internationalen Raumstation erreicht die bemannte Raumfahrt erreicht einen weiteren Höhepunkt bei der Eroberung des Weltraums. Außerdem wollen künftig einige Unternehmen sogar Raumflüge für Touristen in die Erdumlaufbahn oder zum Mond anbieten. Eugene Cernan, der Mann, der vor mehr als einem Vierteljahrhundert die letzten Spuren auf dem Mond hinterließ, ist überzeugt, dass schon um 2019 die ersten Touristen in seine Fußstapfen treten. Geschätzter Preis für das Ticket zum Mond: 85000 Euro.

 

Noch stehen solchen Zielen erhebliche technische und damit vor allem finanzielle Schwierigkeiten entgegen: Momentan kostet der Flug eines Astronauten bei einer zehntägigen Shuttle-Mission oder ein mehrwöchiger Aufenthalt in der Mir-Station noch etwa 40 bis 50 Millionen DM. So fehlt es vor allem an neuen, größeren Raumfahrzeugen und neuen Antrieben, um in der Raumfahrt ähnliche Fortschritte wie in der zivilen Luftfahrt zu erzielen.

 

 Die Suche nach dem Shuttle-Nachfolger

 

Wichtigste Voraussetzung für neuerliche Mondflüge oder sogar bemannte Marslandungen wäre eine neue, starke Trägerrakete, die mindestens die Kapazität der amerikanischen Saturn-5 haben oder besser doppelt so schubstark sein sollte. Die amerikanische NASA hat jedoch ihr Apollo-»Schlachtross« schon vor mehr als 25 Jahren außer Dienst gestellt, und auch die ähnlich leistungsfähige russische Energija-Rakete wurde vor zehn Jahren nach nur zwei Starts »eingemottet« — Amerikanern und Russen fehlt das Geld zum Weiterbetrieb. Dabei würden zehn Starts dieser Superraketen genügen, um die Einzelteile des etwa 1000 Tonnen wiegenden, bemannten Mars-Raumschiffs in den Orbit zu bringen und dort zusammenzubauen.

 

Solche Missionen liegen jedoch noch in weiter Ferne und gelten derzeit eher als Science-Fiction. Zunächst einmal konzentrieren sich vor allem die Amerikaner auf die Entwicklung eines neuen bemannten Raumtransportersystems, das in etwa zehn Jahren den Spaceshuttle mit seinen vier Orbitern ablösen kann. Neben der Kapazität von etwa 20 Tonnen, die für den Transport zur Raumstation benötigt werden, soll der neue Träger noch Platz bieten für sieben Astronauten. Eine weitere Forderung an den künftigen Raumtransporter betrifft die Wiederverwendbarkeit. Das neue Shuttle-System soll mindestens 50- oder 100-mal hintereinander fliegen können und dabei nur kurze Wartungspausen zwischen zwei Missionen benötigen. Vor allem soll das neue Raumtransportersystem preiswerter sein, denn derzeit kostet ein Flug des Spaceshuttles noch 400 Millionen Dollar.

 

Diese Forderungen galten zwar schon für das momentan eingesetzte Shuttle-System, aber technische Probleme und Preissteigerungen verhinderten vor 20 Jahren die Konstruktion eines voll wieder verwendbaren Raumflugzeugs. Und statt einmal wöchentlich — wie vorgesehen — startet der US-Raumtransporter heute nur alle zwei Monate einmal. Die Erfahrungen mit dem seit bald 20 Jahren fliegenden Shuttle lassen befürchten, dass sich die ehrgeizigen Anforderungen auch beim nächsten Raumtransportersystem der NASA nicht erfüllen werden. So gibt es noch keine grundlegend neuen Erfindungen und Entwicklungen in der Raketenantriebstechnik oder bei den Werkstoffen Metall und Kunststoff, die ein preiswerteres und wieder verwendbares Raumtransportersystem ermöglichen. Dennoch stehen günstigere Raumflüge nach wie vor ganz oben auf der Wunschliste der Politiker, Techniker, Manager und Wissenschaftler: Sie wollen die gegenwärtigen Kosten für eine in den Orbit transportierte Nutzlast, die bei 20000 Dollar je Kilogramm liegt, auf ein Fünftel oder sogar Zehntel dieses Betrags reduzieren.

 

Die amerikanische Raumfahrtbehörde fördert deshalb seit einigen Jahren mehrere spezielle Projekte der Industrie, die das Ziel haben, neue Raumtransportersysteme zu entwickeln. Schließlich müssen die Amerikaner in etwa 20 Jahren das Shuttle-System ausmustern. Die neuen X-Programme — obwohl stets überschwänglich angekündigt — haben derzeit jedoch noch den entscheidenden Nachteil, nur Teilaspekte eines neuen Spaceshuttles zu berücksichtigen.

 

 Die X-Projekte als Shuttle-Vorstufen

 

Besondere Hoffnungen setzt die NASA in das X-33-Projekt, das die technologische Basis für einen Shuttle-Nachfolger schaffen soll. Die Technologiestudie soll später in das Venture-Star-Projekt einmünden, einen wiederverwendbaren Shuttle mit ähnlichen Leistungsdaten wie das bestehende Shuttle-System, aber wesentlich preisgünstiger in den Transportkosten und einfacher im Betrieb.

 

Aber das Konzept des Venture-Star erscheint noch unrealistischer als das des alten Spaceshuttle. Vor allem der neue Aerospike-Raketenantrieb wurde bisher nicht praktisch erprobt. Immerhin soll er den Raumtransporter und eine Nutzlast auf eine Geschwindigkeit von 8 Kilometer je Sekunde beschleunigen, um die Erdumlaufbahn zu erreichen. Als zweite Bedingung an das neue Shuttle-System gilt, dass es sieben Menschen in den Orbit und zurück zur Erde transportieren muss. Alle konstruktiven und antriebstechnischen Anstrengungen dienen allein dazu, diese Bedingungen möglichst sicher und preiswert zu erfüllen.

 

Bei allen modernen Einmalraketen gilt heute für den Transport von Nutzlasten in den erdnahen Orbit folgende Massenverteilung: 10 Prozent entfallen auf die Struktur, 85 Prozent auf den Treibstoff und nur 5 Prozent auf die Nutzlast, die in die Umlaufbahn gelangt. Diese Rechnung ist jedoch bei mehrfach einsetzbaren Systemen irreführend: Schließlich muss man beim Shuttle, bei einem Startgewicht von 2000 Tonnen, auch die 70 Tonnen wiegende Orbiterstruktur mit der Astronautenkabine und den 20 Tonnen Nutzlast in die Umlaufbahn schießen. Der Orbiter selbst ist jedoch keine Nutzlast, sondern kehrt mit den Astronauten wieder zur Erde zurück.

 

Deshalb werden bei einem 400 Millionen Dollar teuren Shuttle-Start nur 20 Tonnen oder etwa 1 Prozent des Startgewichts in die Umlaufbahn gebracht. Um dieses Verhältnis günstiger zu gestalten, müssen die Betriebskosten weitaus geringer ausfallen oder die Nutzlast-Kapazität gesteigert werden. Beides ist technisch weitgehend ausgeschlossen. Die vollmundigen Ankündigungen der NASA und der Industrie werden sich deshalb in den nächsten Jahren als Flop erweisen. Dennoch können die Amerikaner bei ihren Studien praktische Erfahrung sammeln, die ihnen einen erheblichen technologischen Vorsprung gegenüber den Europäern garantiert. Just dieses Ziel verfolgt die NASA auch mit dem unbemannten Technologiedemonstrator X-33, der ebenso wie der Shuttle senkrecht startet und horizontal landet. Das Gerät hat Ähnlichkeit mit einem reinen Deltaflugzeug, bei dem der ganze Flugkörper das Tragwerk bildet. Am Heck sitzen je zwei Stummel als Seiten- und Höhenleitwerk. Die X-33 wird etwa 20 Meter lang und breit sein und 150 Tonnen wiegen. Das Treibstoffgewicht wird mit 100 Tonnen angegeben, der Startschub mit 200 Tonnen. Bei den Versuchsflügen soll der Demonstrator mit zwei kleinen Aerospike-Motoren und den Treibstoffen Flüssigwasserstoff und -sauerstoff ein Tempo von Mach 15 in 80 Kilometern Höhe erreichen — ähnlich wie vor 40 Jahren die X-15. Je nach den Ergebnissen des Flugprogramms wird dann über die Entwicklung des eigentlichen neuen Raumgleiters entschieden.

 

Der bemannte Venture-Star wird mit 45 Metern Länge und Spannweite doppelt so groß sein, die Konfiguration bleibt jedoch die des X-33. Das Startgewicht des Raumfahrzeugs wird mit 1000 Tonnen angegeben, der Startschub mit 3000 Tonnen. Die Masse der Struktur gibt die NASA sehr optimistisch mit nur 130 Tonnen an. Die Transportkapazität für erdnahe Umlaufbahnen soll etwa 20 Tonnen betragen, aber nur 11 Tonnen für den Raumstationsorbit. Die Nutzlast bringt Venture-Star in einer länglichen Ladeluke oben auf dem Zentralkörper unter, die Astronauten befinden sich in einem kleinen Cockpit am Bug. Spätestens im Jahr 2005 soll der neue Raumtransporter zu seinem Erstflug starten. Über die gesamten Entwicklungskosten des Venture-Stars gibt es bisher keine verbindlichen Angaben.

 

 Neue Konzepte für preiswerte Raumfähren

 

Eine Lösung wäre ein neuer Shuttle, der über eine spezielle Passagierkabine in der Ladeluke verfügt. Doch ein Shuttleflug kostet nach wie vor etwa 400 Millionen Dollar, auf 50 Passagiere umgerechnet sind das immer noch 8 Millionen Dollar pro Ticket. Das 20 Jahre alte STS-System ist also kaum für den Touristentransport tauglich, ganz zu schweigen von den Sicherheitsproblemen, die bei der Challenger-Katastrophe 1986 offenkundig wurden.

 

Zur Diskussion steht auch ein Konzept, das nach dem Raketenpionier Eugen Sänger (1905 bis 1964) benannt wurde, der die ersten theoretischen Grundlagen dafür entwickelt hatte. Hierbei handelt es sich um die Studie für einen zweistufigen Raumtransporter mit einem kleinen bemannten Shuttle, der von einer großen, überall einsetzbaren Unterstufe über die Atmosphäre in den Weltraum gebracht wird. Dort wird er ausgeklinkt, um schließlich mit der Nutzlast die Umlaufbahn zu erreichen. Nach dem Orbitaufenthalt kann der Shuttle wieder selbstständig zur Erde zurückkehren.

 

Bei der Sänger-Grundstufe handelt es sich im Entwurf um ein neues Hyperschallverkehrsflugzeug, das mit 400 Tonnen Startgewicht die Größenordnung eines Jumbojets erreicht, aber wesentlich schlanker und strömungsgünstiger sein muss. Oben auf der flachen Rückenpartie ist der kleine Raumgleiter halb eingelassen. Diese Maschine wird von sechs Luft atmenden Triebwerken von je 400 Kilonewton Startschub angetrieben, die das Gefährt in wenigen Minuten auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen. Diese Turbo-Staustrahl-Motoren verbrennen flüssigen Wasserstoff, den Sauerstoff liefert die durch große Einlauföffnungen angesaugte Luft. In 15 bis 20 Kilometern Höhe soll die Sänger-Grundstufe 7200 Kilometer pro Stunde erreichen, die Startgeschwindigkeit für die Oberstufe.

 

Die äußere Gestalt der etwa 90 Meter langen Sänger-Grundstufe hat sich seit den ersten Konzepten nach Windkanalstudien von eher plumpen Formen hin zu einem schlanken, fast dolchartigen Design mit nur 46 Metern Spannweite und einem konventionellen Dreipunktfahrwerk entwickelt. Eine leichte, aber stabile Bauweise gibt den prall mit Treibstoff gefüllten Tanks den nötigen Halt. Vorn im Bug befindet sich das Cockpit für zwei oder drei Piloten. Die Sänger-Grundstufe könnte auch die technologische Basis für ein zukünftiges Hyperschall-Verkehrsflugzeug in Europa sein, das eine gewisse Ähnlichkeit mit dem amerikanischen Projekt »Orient Express« hat. Die zweifache Verwendbarkeit der einmal entwickelten Grundstufe — sowohl für die Raum- als auch für die Luftfahrt — spricht für Sänger. Zur Vorsicht mahnt allerdings die fehlende öffentliche Akzeptanz des ersten Überschallverkehrsflugzeugs Concorde.

 

Bei der zweiten Sänger-Stufe handelt es sich um ein Raumflugzeug von 27 Metern Länge und 12 Metern Spannweite, ähnlich dem vor Jahren geplanten Hermes-Minishuttle. Diese Oberstufe heißt Horus in der bemannten Version, Cargus in der automatisch gesteuerten reinen Frachtvariante. Dieser kleine Tiefdecker mit Deltaflügeln wird von einem Wasserstoff-Sauerstoff-Raketenmotor mit 533 Kilonewton Schub angetrieben. Das Leergewicht beträgt 16 Tonnen, das Startgewicht liegt bei 60 Tonnen und die Nutzlastkapazität für die erdnahe Umlaufbahn bei bemannten Flügen bei etwa 4 Tonnen.

 

Nach dem vorläufigen Sänger-Missionsprofil könnte die Doppelmaschine vielleicht im Jahr 2010 erstmals von einem europäischen Großflughafen in Richtung Äquator starten. Dort würde das »Mutterschiff« parallel in Richtung Erddrehung, also nach Osten, beschleunigen und in 35 Kilometer Höhe ihre Höchstgeschwindigkeit von Mach-7 erreichen. Dann wird die Oberstufe Horus oder Cargus abgetrennt, die nun mit eigenem Antrieb in 4,5 Minuten auf 8 Kilometer je Sekunde beschleunigt und in 80 Kilometer Höhe die Erdumlaufbahn erreicht. Weitere Schubimpulse kleiner Hilfsraketen bringen den Orbiter dann auf eine 400 Kilometer hohe Kreisbahn. Die Sänger-Grundstufe ist inzwischen auf Gegenkurs gegangen und landet nach einigen Stunden wieder in Europa.

 

Trotz aller Studien und positiven Stellungnahmen ist die Diskussion um das Sänger-Projekt in den letzten Jahren merklich abgeflaut. Deutschland allein kann und will die auf 40 Milliarden Euro geschätzten Entwicklungskosten nicht bezahlen, aber auch die Länder der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA wollen das Geld für ein so gewaltiges Projekt nicht aufbringen. So bleibt für das Projekt Sänger nur die langfristige Hoffnung, dass Europa in den nächsten Jahrzehnten bei der Entwicklung des nächsten Raumtransportersystems eng mit den Amerikanern zusammenarbeitet. Aufgrund der Sänger-Studien und nachfolgender Forschungsarbeiten der Raumfahrtindustrie könnten deutsche und europäische Techniker dabei einen wichtigen Beitrag leisten.

 

 Der erste Touristenflug zum Mond

 

Der erste bemannte, touristentaugliche Mondflug wird wohl nicht direkt von der Erde aus starten wie damals die Saturn-5-Rakete für die Apollo-Flüge. Wahrscheinlicher ist ein Zwischenstopp bei einer größeren Raumstation im Erdorbit, von der aus die vielleicht »Hyperion« genannte Mondfähre startet und später bei der Rückkehr auch wieder anlegt.

 

Dieses Mondfahrzeug wird ganz anders aussehen als das »Lunar Module« des Apollo-Programms, da der Zentralkörper etwa 20 bis 30 Passagiere aufnehmen muss. Außerdem sollte diese Fähre über ein leistungsfähiges Bremstriebwerk und stabile Beine verfügen, um den Landestoß abzufangen. Das Innere dieses Mondflugzeugs entspräche der Kabine eines Überschallverkehrsflugzeuges — mit engen Sitzen und schmalen Gängen.

 

Der Aufenthalt in der vielleicht »Alpha« genannten Mondbasis ist für die Gäste sicher recht angenehm, denn bei nur einem Sechstel der Schwerkraft können die Besucher möglicherweise in einer speziell gepolsterten Turnhalle wirklich »große Sprünge« machen. Essen werden die Gäste speziell zubereitete Weltraummenüs, aber auch auf dem Mond sollten Getränke nur in einem geschlossenen Beutel und mit Strohhalm serviert werden. Die Mahlzeiten werden jedoch eher spärlich ausfallen, da alle Vorräte von der Erde mitgebracht werden müssen und jedes zum Mond beförderte Kilo Nutzlast eine Tonne Treibstoff benötigt. Rohstoffe auf dem Mond zu gewinnen, wird so schnell nicht möglich sein, Besatzung und Besucher der Mondbasis müssten deshalb mit allen Vorräten sehr sparsam umgehen.

 

Für eine sicher nicht geringe Gebühr können die Mondtouristen wahrscheinlich auch einen Ausflug in die weitere Umgebung der Alpha-Basis buchen, vielleicht zum Krater Kopernikus, zu einer der vor Jahrzehnten gelandeten Mondsonden oder auch zu einem der dann sicher unter Denkmalschutz stehenden Apollo-Landeplätze mit dem dort stehenden Unterteil der Mondfähre und dem ausgedienten Lunar Rover. Je nach Entfernung des Ausflugsziels werden die Touristen mit einem kleinen »Moonhopper« oder mit einem größeren, raketengetriebenen »Lunajet« zu ihrem Ausflug aufbrechen.

 

Dann ist die Zeit für den Rückflug der Urlauber zur Erde gekommen. Mit einem kleinen Mondstein im Handgepäck zwängen sie sich wieder in die Fähre mit den engen Sitzen und bereiten sich auf den starken Andruck beim Zünden des Triebwerks vor, das sie auf Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt. Während des Rückflugs zur Erde werden die Passagiere sicher erst einmal den Schlaf nachholen, den sie bei den aufregenden Tagen in der Mondbasis versäumt haben.

 

Nach dem dreitägigen Transferflug wird die »Hyperion« an der Raumstation im Orbit anlegen und ihre Passagiere entlassen. Mit einer anderen, kleineren Fähre kehren die Urlauber nach ihrem einmaligen Kurzurlaub endgültig zur Erde zurück. Die negative Beschleunigung beim Abbremsen in der Atmosphäre wird die Passagiere noch einmal mit drei- bis vierfachem Körpergewicht in die Kontursitze pressen. Dann rollt die zwischen Erde und Orbit pendelnde Raumfähre auf der Landebahn des Kennedy Space Center in Florida aus, die Erde hat die Mondausflügler wieder.

 

 Die Reise zum Planeten Mars

 

Auch die bemannte Reise zum Planeten Mars ist noch Science-Fiction, obwohl clevere Geschäftsleute dafür schon werben und neben Flugtickets auch Grundstücke auf dem Roten Planeten verkaufen. Doch nach dem Stand der Technik sind Touristentouren zum Mars erst in einigen Jahrhunderten möglich. Selbst eine Forschungsmission ist angesichts der dreijährigen Flugdauer und der extremen Verhältnisse auf dem Mars technisch äußerst schwierig. Außerdem würde eine solche Reise einige Hundert Milliarden Dollar kosten, und gegenwärtig fehlt in den Vereinigten Staaten, aber auch in Europa und Japan die Akzeptanz, um das Geld hierfür aufzubringen.

 

Nach heutigem Stand der politischen Weltlage sowie von Wirtschaft und Technik sind auf absehbare Zeit nur die USA zu einem solchen Großprojekt in der Lage. Vielleicht finden sie bei der ersten bemannten Marsmission auch wieder die Unterstützung der Russen, Japaner und Europäer, wie jetzt bei der Raumstation. Die Realisierung eines solchen Projekts würde jedoch alle Nationen bis an die Grenzen ihrer technischen Leistungsfähigkeit fordern — zu groß sind die organisatorischen, technologischen, wissenschaftlichen, biomedizinischen sowie finanziellen Probleme, die vorher gelöst werden müssen.

 

Dipl.-Ing. Wolfgang Engelhardt, Köln

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Raumsonde: Erkundung von Planeten und Monden

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

bemannte Raumfahrt: Die internationale Raumstation ISS

 

Literatur:

 

Esser, Michael: Der Griff nach den Sternen. Eine Geschichte der Raumfahrt. Basel u. a. 1999.

 Messerschmid, Ernst u. a.: Raumstationen. Systeme und Nutzung. Berlin u. a. 1997.

 

Weltraum aktuell. Neues aus Astronomie und Raumfahrt, Ausgabe 1997/98. Stuttgart 1997.