Raketentechnik mit mächtig Schub

Wenn Menschen ihr Leben riskieren, spielt Geld eine untergeordnete Rolle. Dann geht es um Zuverlässigkeit. Und in der Hinsicht gäbe es kaum einen Grund, die europäische Rakete Ariane 5 abzulösen. Sie war in den vergangenen 15 Jahren die zuverlässigste Methode, Satelliten ins All zu schießen. Doch seitdem Elon Musk mit seiner Firma SpaceX und der wiederverwendbaren Rakete Falcon 9 zum Preiskampf angetreten ist, wird die Luft für die Ariane dünner. So kommt Bewegung in die Raumfahrt - mit handfesten Auswirkungen auch für das Raketentestzentrum im Harthäuser Wald.

Kostet die Fahrt in den Weltraum für ein Kilo Nutzlast bei den Europäern - je nach Rechnung - bis zu 15.000 Dollar, bietet SpaceX das gleiche für rund 5000 Dollar an. Die Europäer mussten schon reagieren. Mit der neuen Ariane 6 sollen sich ab 2020 die Kosten pro Start halbieren. Doch der amerikanische Milliardär Musk ist da schon wieder einen Schritt weiter - Preise von unter 1000 Dollar pro Kilo Fracht sind sein Ziel.

Jetzt wird zwei Schritte weitergedacht

So gibt nun die europäische Raumfahrtagentur Esa ambitioniertere Ziele aus: Nur noch ein Zehntel des derzeitigen Preises soll ein Kilo Nutzlast in naher Zukunft kosten. Dazu laufen bereits die Planungen für die Nachfolgerrakete der Ariane 6 - ArianeNext wird sie vorerst genannt. Einen Zeitplan für die ArianeNext gibt es noch nicht. Erst einmal soll jetzt im Juli 2020 die Ariane 6 vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana abheben.

Mehrere Faktoren sollen dazu beitragen, die Kosten zu senken. Eine neue Antriebskonfiguration etwa: Statt eines Haupttriebwerks dürfte es künftig ein Bündel von sieben oder neun Triebwerken am Fuß der Rakete geben. Der bisher genutzte Treibstoff Wasserstoff wird durch Methan ersetzt. Und entscheidend wird sein - Musk hat es vorgemacht: die Wiederverwendbarkeit. Nur wenn die Betriebsstunden je Rakete steigen, lassen sich die Kosten spürbar senken. Jeden einzelnen Punkt kann man als kleine Revolution oder zumindest als Systemwechsel ansehen.

Die Raumfahrt lernt vom Autobau

Auf Wirtschaftlichkeit war man in der Vergangenheit nicht angewiesen. Raumfahrt hatte immer auch eine politische Komponente. China, Indien, Russland, die USA und auch Europa arbeiten deshalb mit hohen Subventionen. "Zum ersten Mal wird jetzt in der europäischen Raumfahrt der Design-to-cost-Ansatz verfolgt", sagt Philipp Altenhöfer vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen. Von Beginn an werden alle anfallenden Kosten, auch die Folgekosten, konsequent minimiert. Dazu habe es beispielsweise einen engen Austausch mit Experten aus der Autoindustrie gegeben. Fertigungstechniken, Serienproduktion und sonstige Optimierungen spielten nun eine größere Rolle.

Dass die Teflon-Pfanne ein Resultat der Weltraumforschung sein soll, ist eine Legende. Doch Altenhöfer fasziniert, wenn die Raumfahrt Vorreiter bei neuen Technologien ist. So habe sie beispielsweise die Brennstoffzelle zwar nicht erfunden, aber immerhin zur Anwendungsreife gebracht. Spin-off heißt es, wenn Weltraumtechnik den Alltag erreicht. Nun komme aber häufiger ein Spin-in zum Tragen. "Während derzeit ein Einspritzkopf, mit dem der Treibstoff in die Brennkammer injiziert wird, aus mehr als 100 zusammengeschraubten Einzelelementen besteht, dürfte das künftig ein einziges Teil aus dem 3D-Drucker sein", gibt Altenhöfer ein Beispiel.

Früher wurde im Harthäuser Wald giftiges Hydrazin verbrannt

Zurück zum Treibstoff. Einen Systemwechsel gab es schon in den 90er Jahren, erzählt Altenhöfer. Nachdem über Jahrzehnte das giftige Hydrazin Treibstoff Nummer eins im europäischen Raumtransport und damit auch im Harthäuser Wald gewesen war, kam fortan für die großen Ariane-Triebwerke flüssiger Wasserstoff zum Einsatz. Vor gut einem Jahr erfolgte nun das Signal, dass sich Lampoldshausen für die sogenannte LOX-Methan-Technik fitmachen darf.

Erste Erfahrungen haben die Triebwerkstester bereits gesammelt. Jetzt geht es aber um die Haupttriebwerke. 30 Millionen Euro sind dafür im ersten Schritt vorgesehen. Als Projektleiter ist der 35-jährige promovierte Luft- und Raumfahrtingenieur Altenhöfer dafür zuständig, die Prüfstände für das methanbetriebene Prometheus-Triebwerk einzurichten. Es ist mit 100 Tonnen Schub annähernd so stark wie das bisherige Vulcain 2 mit seinen 130 Tonnen. Während das aktuelle Haupttriebwerk bei Ariane 5 und 6 aber von Feststoffboostern begleitet wird, soll die ArianeNext mit einem sogenannten Cluster aus Prometheus-Triebwerken starten und auch wieder landen. "Im November 2020 wollen wir die erste Kampagne für das Prometheus-Triebwerk beginnen."

Methan macht manches leichter

Was den Vortrieb im All angeht, kommt nichts an Wasserstoff heran. In vielen anderen Punkten ist Methan jedoch ein besserer Treibstoff. Er muss "nur" auf minus 162 Grad heruntergekühlt werden, damit er flüssig wird. Für Wasserstoff sind minus 252 Grad notwendig. Methan ist nicht so flüchtig wie Wasserstoff, das besondere Anforderungen an Dichtungen und Ventile stellt. Flüssiges Methan ist dichter, benötigt also weniger Platz. Und Methan ist gutmütiger im Umgang, nicht in fast jeder Konzentration entflammbar, wie das bei Wasserstoff der Fall ist.

Die Sicherheitsvorkehrungen auf den Prüfständen und in der Umgebung verändern sich. Entweicht der leichte Wasserstoff, geht er sofort nach oben weg. Da Methan bis minus 100 Grad aber schwerer als Luft ist, kann es sich in Senken und in Gebäuden am Boden sammeln. "Gas-Sensoren und Warnanlagen sind notwendig. Auch die Handhabung beim Betanken ist anders als bei Wasserstoff", sagt Altenhöfer.

Dampf-CO2-Schwaden schieben sich dann in den Himmel

Für die Anwohner wird sich wenig ändern. Sie werden auch künftig während der Test-Kampagnen große weiße Schwaden in den Himmel schießen sehen. Damit diese Fontäne kein Methan mehr enthält, muss ein größerer Nachbrenner im Umlenkrohr installiert werden. Was dann über dem Harthäuser Wald steht, ist Dampf und CO2. Durch die Verbrennung mit Sauerstoff entstehen keine giftigen Nebenprodukte, betont Altenhöfer. Acht bis neun Tests werden pro Kampagne gefahren. Fünf bis acht Minuten wird das Grollen dann zu hören sein. Dabei ist die CO2-Freisetzung übrigens ähnlich hoch wie im Heilbronner Kohlekraftwerk der EnBW. Dort werden unter Volllast pro Minute knapp zwölf Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre geblasen.

Die Entscheidung über die Entwicklung der ArianeNext ist noch nicht getroffen. Innerhalb von sechs Wochen muss der Prüfstand P5 deshalb auch jederzeit wieder für ein Vulcain-Triebwerk umgebaut werden können - damit zum Beispiel nach einem möglichen Fehlstart der Ariane 6 neue Tests gefahren werden können. Neben dem Geld bleibt die Zuverlässigkeit in der Raumfahrt eben weiter ein entscheidender Faktor.

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Vorteile von Methan: LOX-Methan heißt die Treibstoff-Kombination der künftigen europäischen Raumfahrt bei den Experten. Denn für die Verbrennung wird flüssiger Sauerstoff (Liquid Oxygen - LOX) und flüssiges Methan in die Brennkammer eingespritzt. Weil beide Stoffe bei ähnlichen Temperaturen flüssig werden, können parallele Strukturen verwendet werden. Das ist bei Wasserstoff und Sauerstoff nicht der Fall. Die günstige SpaceX-Rakete Falcon 9 wird übrigens hauptsächlich mit Kerosin angetrieben.

Zwischenfall: Dass es immer auch auf Details ankommt bei der Raumfahrt, zeigte sich Anfang des Jahres. Die europäische Trägerrakete Ariane 5 hatte bis dahin 82 Mal nacheinander erfolgreich abgehoben und die Erdumlaufbahn erreicht. Der Start am 25. Januar 2018, der 97. insgesamt, erreichte den Weltraum nur mit Müh und Not, und nicht ansatzweise auf dem vorausberechneten Weg. Ein Programmierfehler hatte die Rakete um 20 Grad abkippen lassen. Nur eine gehörige Portion Glück sorgte dafür, dass die Mission noch als "Teilerfolg" gewertet werden konnte.

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