Starship – Geht es auch ohne Treibstoff von der Mars-Oberfläche?

Das Space-Shuttle hatte gerade genug Treibstoff, um einen niedrigen Orbit (LEO = Low Earth Orbit) zu erreichen und etwas später mit einem kurzen Deorbit-Burn die Atmosphäre anzukratzen. Das Starship von SpaceX steht etwas besser da, aber nicht viel besser. Mit den Trockenmassen, Treibstoffmassen sowie den spezifischen Impulsen der beiden Stufen lässt sich relativ leicht berechnen, wieviel Delta-V (und somit Reichweite für alles weitere) nach Erreichen eines LEO übrig bleibt.

Erste Stufe (Booster): Trockenmasse = 180 t, Treibstoffmasse = 3600 t, Isp = 340 s

  • Δv = 4,0 km/s (praktisch unabhängig von zusätzlicher Payload-Masse)

Zweite Stufe (Starship): Trockenmasse = 100 t , Treibstoffmasse = 1200 t , Isp = 365 s

  • Δv = 8,6 km/s (bei 20 t Payload)
  • Δv = 7,9 km/s (bei 50 t Payload)
  • Δv = 7,0 km/s (bei 100 t Payload)

Das gesamte verfügbare Delta-V ab Start ist also:

  • Δv = 12,6 km/s (bei 20 t Payload)
  • Δv = 11,9 km/s (bei 50 t Payload)
  • Δv = 11,0 km/s (bei 100 t Payload)

Abzüglich der 9,5 km/s, die benötigt sind, um in einen LEO zu kommen:

  • Δv = 3,1 km/s (bei 20 t Payload)
  • Δv = 2,4 km/s (bei 50 t Payload)
  • Δv = 1,5 km/s (bei 100 t Payload)

Soviel Delta-V bleibt dem Starship demnach für weitere Manöver. Wie weit man damit kommt, kann man an folgender Karte erkennen. Man benötigt ab LEO ein Delta-V von 4,8 km/s um in einen Mond-Orbit zu gelangen und ein Delta-V von 6,5 km/s bis hinab zur Mond-Oberfläche. Weit mehr als verfügbar, und das, ohne den Rückweg überhaupt betrachtet zu haben. Der Mars ist unter diesen Vorraussetzungen natürlich auch noch sehr weit außerhalb des Machbaren. Wie geht es weiter?

Jeder Schritt über einen Erdorbit hinaus wird ein Nachtanken im Orbit benötigen, so wie es die Pläne von SpaceX auch vorsehen. Pro Start lässt sich eine Payload-Masse von maximal 180 t in einen LEO bringen, wovon aber 30 t benötigt werden, wenn man anschließend zur Oberfläche der Erde zurückkehren will. Ein Tanker-Spaceship könnte einem Spaceship, welches sich schon in LEO befindet, also 150 t Treibstoff übergeben. Sieben Tanker-Starts würden ausreichen, um ein Spaceship in LEO voll aufzufüllen und somit wieder das komplette Delta-V der zweiten Stufe zu bekommen.

Solche Tanker-Missionen klingen auf den ersten Blick vielleicht etwas wild, aber man muss bedenken, dass Docking im Orbit schon seit Jahrzehnten in der Raumfahrt praktiziert wird und das auch ohne besondere Vorkommnisse. Ein Nachtanken im Orbit wäre ohne Zweifel aufwendig und teuer, aber an dem Know-How oder der Technik würde es nicht scheitern.

Aber, und ab hier wird es richtig problematisch: Zur Mond-Oberfläche und zurück reicht es trotz Nachtanken nicht. Bei voller Nutzung von Aerobraking werden ab einem LEO hierfür circa Δv = 10 km/s benötigt versus den verfügbaren Δv = 8,6 km/s des Starships bei 20 t Payload. Und für eine Reise zum Mars und zurück erst recht nicht (Δv = 14 km/s). Es fehlt in beiden Fällen sogar noch ziemlich viel. Was tun? Für das Weitere hilft es mal zu betrachten, wie weit man auf einer Mars-Mission mit den gegebenen Δv = 8,6 km/s kommen würde:

LEO – TO (Transfer Orbit): 2,5 km/s

LEO – LMO (Low Mars Orbit): 6,1 km/s

LEO – MS (Mars Surface mit Aerobraking): 6,6 km/s

LEO – LMO’ (LMO nach Landung): 10,7 km/s

Eine Landung auf dem Mars wäre demnach gut machbar. Scheitern würde es aber an der anschließenden Rückkehr in einen LMO. Das in LEO betankte Spaceship mit 20 t Payload würde auf der Mars-Oberfläche mit einer Restmasse von 209 t ankommen, hätte also (minus Trockenmasse und Payload) noch 89 t Treibstoff verfügbar. Alleine der Aufstieg zurück in einen LMO würde aber 257 t erfordern, eine Rückkehr zumindest zu einem hohen Erdorbit sogar 809 t. Wie kommt man an den Treibstoff?

Es gibt prinzipiell zwei Wege: Tanker-Missionen zum Mars oder Treibstoff von der Mars-Oberfläche. An Letzterem wird gerade intensiv geforscht und SpaceX baut darauf, dass der Treibstoff vor Ort produziert werden kann. Aber angenommen, das würde scheitern: Wäre dann der Traum vom Mars vorbei? Mit dem Spaceship in jetzigem Design definitiv. Aber mit einer Anpassung im Stile der Apollo-Missionen wäre eine Mars-Mission auch ohne Gewinnung von Treibstoff auf dem Mars machbar.

Nochmal zu dem Spaceship, dass mit einem Payload von 20 t und nur 89 t Treibstoff auf dem Mars gestrandet ist. Eine Tanker-Mission (selbst ein in LEO betanktes Spaceship) könnte 106 t Treibstoff zur Mars-Oberfläche bringen. Etwas mehr als die 89 t des gestrandeten Spaceships, da der Tanker die 20 t Payload nicht mittragen musste. Um das gestrandete Spaceship soweit zu füllen, dass es zumindest wieder in einen hohen Erdorbit kommen kann, wären sieben Tanker-Missionen zum Mars notwendig.

Das klingt erstmal ganz vernünftig, man muss aber bedenken, dass jeder Mars-Tanker selbst im LEO betankt werden muss, um 106 t Treibstoff zum Mars bringen zu können! Pro Tanker-Mission zum Mars sind also acht Spaceship-Starts benötigt: Der Tanker zum Mars und seine sieben LEO-Betankenden. Für sieben Mars-Tanker benötigt man also 8*7 = 56 Spaceship-Starts.

Man sieht daran, dass das Spaceship wirklich um den Gedanken der Gewinnung von Treibstoff vor Ort (sowie Kapazität und Nachhaltigkeit) gebaut ist. Das Spaceship bietet viel Raum für viele Leute. Und es verzichtet auf einen Lander, der sich in Orbit von dem Hauptmodul trennt, zur Oberfläche geht und sich dann beim Aufstieg wieder mit dem Hauptmodul vereint. Dieser “Luxus” geht nur mit Treibstoff vor Ort. Ohne Vor-Ort-Treibstoff wird eine Rückkehr zur Apollo-Mentalität notwendig sein: So wenig Raum wie möglich für so wenige Leute wie möglich. Und das mit einem separaten Lander, der so leicht wie möglich ist. Dann wäre viel mehr machbar.

Mit einer Reduktion der Trockenmasse auf 80 t, einer Payload-Masse von 16 t (gerade genug, um drei Astronauten über die Dauer einer Mars-Mission am Leben zu halten), einem Lander mit Trockenmasse 5 t (ähnlich dem Apollo-Lander) sowie dem üblichen 1200 t Tank, würde man einen LMO mit einer Restmasse 237 t und somit Treibstoffmasse 136 t erreichen. Der Lander benötigt für Ab- und Aufstieg bei einer Restmasse 5 t eine Gesamtmasse von 17 t, also 12 t Treibstoff. Macht 124 t Treibstoff, mit dem man sich auf den Rückweg zur Erde machen kann, was einem Delta-V von 2,9 km/s ab LMO entspricht.

Das wäre noch etwas zu wenig für den Übergang in einen hohen Erdorbit, hierfür sind 3,4 km/s erforderlich, aber eine einzige Tanker-Mission zum Mars würde in diesem Fall das Problem lösen. Der Umstieg auf weniger Raum, weniger Leute und einen separaten Lander verwandeln die sieben Tanker-Missionen mit 56 Spaceship-Starts in nur eine Tanker-Mission mit 8 Spaceship-Starts. Und quetscht man noch ein paar weitere Tonnen raus, dann würde man sogar ganz ohne Tanker-Missionen in einen hohen Erdorbit kommen, oder, da man ab dort durch sehr liberales Aerobraking mit nur 1 km/s zur Oberfläche der Erde kommen kann, sogar den kompletten Weg nach Hause.

Auf lange Sicht ist die Gewinnung von Treibstoff vor Ort ideal. Durch Analyse der Marsoberfläche ist bekannt, dass alle Stoffe vorhanden sind, die zur Produktion von Methan und Sauerstoff notwendig sind. Ebenso ist bekannt, mit welchen chemischen Prozessen sich die Stoffe in Methan und Sauerstoff umwandeln lassen (etwa die Sabatier-Reaktion, die schon in U-Booten und Raumschiffen zur Gewinnung von Sauerstoff genutzt wurde). Notwendige Elektrizität lässt sich recht problemlos durch Solarpanele und RTGs erzeugen. Von einer prinzipiellen Machbarkeit der Vor-Ort-Produktion von Treibstoff darf man mit gutem Gewissen ausgehen.

Aber da dies noch nie gemacht wurde, muss die Technik erst geschaffen und auf dem Mond getestet werden. Die Technik muss mit einer gewissen Mindestrate produzieren, um Zeitfenster zu beachten. Sie muss Sand und erhöhte Strahlung aushalten können. Muss sich von den Astronauten schnell und einfach reparieren lassen können. Und so weiter. Es könnte dauern, bis diese Technik vorhanden ist und der Fokus auf Vor-Ort-Gewinnung könnte somit einer zeitigen bemannten Mars-Mission im Weg stehen.

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