Wie komme ich preiswert in den Weltraum?

Eine gute Frage, denn schließlich hat es ja in den letzten Jahrzehnten eine Menge Versuche gegeben die Startkosten zu minieren. Der Space Shuttle sollte alles viel billiger machen, ist aber heute die teuerste Möglichkeit Nutzlasten zu starten. Gerade das Gegenteil passierte bei kommerziellen Starts: Nimmt man die Startkosten und korrigiert den Anstieg der Inflation, so ist heute eine Ariane 5 weitaus preiswerter als eine Ariane 1 vor 25 Jahren. In absoluten Zahlen ist sie aber immer noch teuer mit Startkosten von 7000 Euro pro Kilo.

Das billigste Transportmittel um Nutzlasten in den Orbit zu transportieren ist es keine Rakete zu benutzen. Nach heutigem Stand der Technik dürfte dies über Beschleunigung durch elektrische oder magnetische Felder am besten gehen. Immer wieder propagiert werden auch Kanonen gigantischer Länge. Immerhin: Gerald Bull, der diese Technologie nach dem zweiten Weltkrieg entwickelte und für den Irak an einer „Babylon“ Kanone baute erreichte in den 60 er Jahren mit mehrfach verlängerten 40 cm Kanone eine Höhe von 180 km, was einer Geschwindigkeit von 1890 m/s entspricht (in Wirklichkeit höher, da natürlich noch der Luftwiderstand dazu kommt). Diese Kanone wog 100 t und hatte eine Länge von 36 m. Vorgänger dieser war die V-3 aus dem zweiten Weltkrieg, die nie fertig gestellt wurde. Sie sollte bei 140 m Länge ein 0.15 m dickes und 140 kg schweres Geschoss auf 1500 m/s beschleunigen. Das entsprach einer Reichweite von 165 km. Schon vorher kam man bei Berechnungen zu dem Schluss das eine 900 m lange Kanone, welche einen Vakuumverschluss hat ein Projektil auf Fluchtgeschwindigkeit bringen kann.

Das ist beeindruckend, doch für einen Orbit fehlen da noch 6000 m/s und da die Rohrlänge linear mit der Beschleunigungsstrecke anwächst braucht man eine enorm lange Kanone. Bull arbeitete später für den Irak an einer „Babylon 2“ Kanone – Eine Kanone von 156 m Länge und 1 m Durchmesser welche mit 9000 kg Pulver ein Projektil von 600 kg Gewicht über eine Entfernung von 1000 km oder 2000 kg in eine suborbitale Bahn bringen sollte. Dort wäre ein Raketenmotor gezündet worden, welche dann einen Orbit erreicht hätte. Das entspricht einer Beschleunigung von 600 kg auf 6080 m/s oder 2000 kg auf 3800 m/s. Mit einem Raketenmotor hätte man dann 200 kg in eine Orbitalbahn befördern können für einen Preis von 120.000 Dollar pro Schuss oder 600 Dollar pro Kilogramm Nutzlast.

Gerald Bull wurde 1990 von israelischen Geheimagenten ermordet. Später fanden UN Inspektoren die teilweise fertiggestellte Kanone und ließen sie zerstören.

Eine Kanone ist zwar preiswert zu bauen, ein kürzlich proklamierter Vorschlag geht von 157 Millionen USD Investitionskosten für eine Kanone aus, welche eine Nutzlast auf „fast“ Satellitengeschwindigkeit bringt, so dass man nur noch einen kleinen Antrieb von etwa 1/3 der Startmasse braucht. Doch die Belastung ist sehr hoch und der Sprengstoff ist auch nicht gerade billig.

Es geht, wenn es nur um die Energiekosten geht noch billiger: Mit der Beschleunigung mittels Magnetfelder / elektrischer Felder. das ist im Prinzip das gleiche Prinzip wie bei einer Magnetschienenbahn. ein metallener Körper wird berührungslos beschleunigt indem ein Magnetfeld / elektrisches Feld über eine Beschleunigungsstrecke verschoben wird. Das wird heute schon benutzt um Projektile zu beschleunigen z.B.. um Meteoritenaufschläge zu simulieren.

Im Prinzip kann man mit einer „Railgun“ unter dieser Bezeichnung laufen die Antriebe das gleiche wie bei einer normalen Kanone, nur ist man flexibler und der Treibstoff ist elektrischer Strom. Eine ESA Studie ergab dass man für 50 Millionen Euro eine Railgun von 180 m Länge bauen kann die 60 kg in einen Orbit transportiert. 20 kg sollen davon Nutzlast sein, der Rest Schutz und antrieb. Als Kosten fallen nur die Stromkosten von 3.5 GJ an, das sind etwa 1000 kWh elektrische Energie, also heute für etwa 200-250 Euro zu haben. Das entspricht phänomenal günstigen 10-13 Euro pro Kilogramm Nutzlast (in der Praxis wegen der Projektmasse und des Antriebs natürlich doch höher).

Vor allem aber kann man anders als bei Kanonen die Beschleunigung kontrollieren. Die 180 m sind die minimale Länge, doch man kann eine solche Railgun auch länger bauen. Je länger die Beschleunigungsstrecke ist desto geringer die Beschleunigung und desto mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt es. Die 180 m Railgun erreicht 6000 m/s Geschwindigkeit in 0.060 s, beschleunigt also mit mehr als 10000 facher Erdbeschleunigung. Das überstehen nur robuste Gegenstände. (1 g = 9.81 m/s²)

Je langsamer man beschleunigt, desto mehr Strecke braucht man. Mein Lieblingsbeispiel ist das der Kilimandscharo. Er ist ein isolierter erloschener Vulkan in Afrika. Er erhebt sich bis 5895 m Höhe, 4000 m über ein Hochplateau von 1800 m Höhe. Baut man an seiner Flanke eine Beschleunigungsstrecke im 30 Grad Winkel so hat man schon eine Strecke von 8000 m – Gegenüber der 180 m Kanone geht die Beschleunigung auf 450 g zurück. Für Gold legt man in Südafrika bis zu 3900 m tiefe Minen an – Verlängert man die Stecke bis in diese Tiefe so hat man eine Höhendifferenz von 8000 m und eine Beschleunigungsstecke von 16000 m im 30 Grad Winkel .- Entsprechend „nur“ noch 200 g Beschleunigung.

Die Investitionskosten für eine solche Anlage wäre natürlich erheblich größer – allerdings wegen der geringeren Beschleunigung auch der Einsatzbereich. Trotzdem wird sie wohl nie gebaut werden. Was kann man realistisch erweise so starten? Keine Satelliten im heutigen Sinn, die sind vielleicht für 10g ausgelegt aber nicht für 200. Wahrscheinlich Materialen, Werkezuge, Rohstoffe. Diese werden im Orbit dann benutzt um dort irgend etwas herzustellen, was man auf der Erde schwer herstellen kann wie Einkristalle oder Legierungen von Metallen sehr unterschiedlicher dichte. Solange es aber keine Fabrik im Orbit gibt wird dies immer ein Zukunftstraum bleiben….