Das Ende des Space Shuttles – der fehlende Nachfolger

Nun da Atlantis die letzte Reise eines Shuttles durchführt, ist es Zeit die lockere Serie über das Shuttle zu Ende zu schreiben. Anfang der achtziger Jahre war klar, dass die Shuttles nicht das erfüllten was man sich von ihnen versprach. Geplant war einmal ein Gefährt, dessen Transportkosten vor allem von den Treibstoffkosten geprägt war. Dessen Rumpf 100 Flüge übersteht und die Triebwerke 55. Vor allem aber eines das nur wenig Wartung erforderte. 160 Arbeitsstunden sollte die Überholung nach der Landung dauern.

Was man erhielt war ein empfindliches Gefährt. Die Triebwerke mussten nach jeder Landung demontiert und inspiziert werden. Die Hitzeschutzkacheln, bei denen es Jahre dauerte, einen Kleber zu finden, mit dem man sie an der Rumpfstruktur befestigen konnten mussten nach jeder Landung inspiziert, ausgetauscht und mit giftigen Chemikalien behandelt werden, dass sie kein Wasser aufnahmen, das sie sonst beim Start oder der Landung zerstören könnte.

In der Summe brauchte ein Orbiter 87 Tage für die Überholung zwischen zwei Flügen, anstatt rund 4 Wochen wie geplant. Alleine die Lohnkosten für die Wartung machten 200 Millionen Dollar aus. Die gesamten Startkosten mit dem notwendigen Personal am KSC erreichten 500 Millionen Dollar. Dabei hatte das Konzept auch kein Wachstumspotential. So ließen sich die Triebwerke nicht mehr im Schub steigern, begonnene Bemühungen in dieser Hinsicht wurden wieder eingestellt.

Das alles ist heute bekannt und es ist nichts besonderes. Wie in allen Gebieten ist es so, wenn man etwas völlig neues macht, dann wird es meistens falsch eingeschätzt. Es erscheint zu leicht oder man erhofft sich zu viel von ihm. Das Shuttle ist hier sicherlich herausragend, doch das trifft auch auf andere „Erstleistungen“ zu, wie das Mercury Programm oder die Centaur Oberstufen, die beide ihren Kostenrahmen nicht einhalten konnten und hinter dem Zeitplan hinterherhinkten.

Aus heutiger Sicht wäre es wohl sinnvoll gewesen nach dem Verlust der Challenger sich zu fragen ob es nicht sinnvoller gewesen wäre damals die Shuttles außer Dienst zu stellen, oder nur noch unbemannt einzusetzen und ein Shuttle 2.0 anzugehen. Wie wir wissen ging das nicht. Wegen der „Jetzt erst Recht“ Mentalität die gegen rationale Argumente siegte. Doch nehmen wir mal an die NASA hätte nach Shuttle 1.0 basierend auf den Erfahrungen sich an eine alternative gemacht. Wie könnte das aussehen? Nun es gibt zig Konzepte aber ich denke wichtiger sind die Lehren des Shuttles:

Es muss getrennt werden zwischen Transportmedium für Personen und Fracht

Bemannte Flüge sind immer teurer als unbemannte, selbst wenn dieselben Träger zum Einsatz kommen, alleine wegen der umfangreichen Kontrollen, der langen Vorbereitung etc. Der Hauptfehler des Shuttles war es das als bemanntes Gefährt konzipiert war, aber die meisten Flüge vor dem Verlust der Challenger eigentlich reine Transportaufträge waren. Diese hätte ein unbemanntes Shuttle besser durchführen können. Neben den offensichtlichen Einsparungen durch die geringere Sicherheitsmarge kommt noch hinzu, dass die Nutzlast größer ist, da alle Systeme die für die Besatzung nutwendig sind wie die Passagierkabine mit starker Wand, Vorräte, Strom, Wasser etc. wegfallen.

Es reicht wenn ein Orbiter wenige Male bis vielleicht ein Dutzend Mal eingesetzt werden kann

Natürlich ist es toll, wenn ein Orbiter 100 mal eingesetzt werden kann. Doch das hat auch Nachteile. Die Herstellung wird dann entsprechend teurer. Gleichzeitig habe ich keine echte Serienproduktion mehr, sondern nur noch ein Einzelexemplar zu fertigen. Im Shuttle Programm musste kein Orbiter mehr in den letzten 20 Jahren gebaut werden. Wenn ein Orbiter zweimal fliegt so entfällt pro Flug 50% der Herstellungskosten. Sind es 10 Flüge, so sind es noch 10% und man ist in einem Bereich wo die Wartungskosten dominieren. Ein Orbiter der nicht so teuer wie die Shuttles ist, aber nur etwa 10-mal fliegt ist ein Gefährt von dem eines in 1-2 Jahren gefertigt wird. So bleibt er in der Produktion und so können auch laufend Verbesserungen in diese einfließen. Bei vielen heutigen Konzepten geht man von viel geringeren Einsatzzahlen aus. Bei Hopper sollen z.B. die Triebwerke nach 5-7 Einsätzen komplett ausgewechselt werden.

Macht ein Shuttle für den Personentransport Sinn?

Auf der einen Seite ist es das was ja immer die Astronauten haben wollen – ein Spaceship, also mehr ein lenkbares Gefährt wie ein Flugzeug. (Auch wenn das beim Shuttle ja nur in den letzten paar Minuten der Fall ist, steht bis heute als Qualifikation bei der NASA: mindestens 1000 Flugstunden, Testpiloten bevorzugt). Auf der anderen Seite ist jedes Shuttle vom Aufbau her viel anfälliger als eine Kapsel. Es gibt bei einer Kapsel beim Wiedereintritt bei entsprechender Formgebung das Phänomen, dass sie sich selbst korrekt ausrichtet. Auf sie kann man einen Fluchtturm aufsetzen und sie kann wegen ihrer kleinen Größe viel massiver gebaut werden. Man kann bei einem Shuttle einiges nachrüsten. Aber er wird nie die Sicherheit einer Kapsel erreichen. Sicherlich ist eine Kapsel als Einmalgefährt teurer. Aber muss man sie nur einmal verwenden? Eine der Gemini Kapseln wurde zweimal eingesetzt. Wenn man sie nur als Zubringer zu einer Raumstation auslegt und so ein Servicemodul einspart, denke ich wird man eine Kapsel wiederverwenden können, wenn man den Hitzeschutzschild neu aufträgt. Auch hier reden wir ja nicht über Zig-Male. Es reicht die Kapsel einige Male erneut zu verwenden. schon zweimalige Verwendung dürfte 50% der Herstellungskosten (ohne Hitzeschutzschild und Fallschirm) einsparen.

Wie sieht der unbemannte Transport aus?

Basierend auf den Shuttle-Erfahrungen wäre ich sehr vorsichtig bei Konzeption der nächsten Generation. Es gibt ein grundsätzliches Problem: Je höhere Geschwindigkeiten erreicht werden müssen, desto leichter muss das Gefährt werden, wenn (wie heute gegeben) die Ausströmungsgeschwindigkeit der Gase nicht mehr signifikant gesteigert werden kann. Das bedeutet eine Oberstufe soll möglichst leicht sein. Auf der anderen Seite sind die Belastungen beim Wiedereintritt um so höher, je schneller das Gefährt ist, was zwangsläufig die Leermasse erhöht. Sinnvoll ist es in meinen Augen daher das Widerverwenden zuerst einmal auf die erste Stufe zu beschränken und dann dort auch kryogenen Antriebe einzusetzen, damit eine echte Kostenersparnis resultiert. (Die Shuttle-SRB konnten zwar geborgen werden, aber schon bei Ariane 5 wäre das Bergen und Wiederverwenden teurer als eine Neuproduktion). Ob dies dann ein Shuttle ist (Hopper Konzept) oder eine geflügelte Erststufe (LFBB-Konzept) ist, muss sich zeigen. Ich persönlich halte das letztere für praktisch einfacher umzusetzen. Die zweite Stufe würde in diesem ersten Schritt dann noch ein Verlustgerät sein. Wird sie Huckepack getragen könnte man nach einigen Jahren Erfahrung dann sie vielleicht auch durch eine wiederverwendbare Stufe ersetzen, ohne gleich die erste Stufe neu zu konzipieren. Um Energie zu sparen (man benötigt auch Treibstoff um aus dem Orbit zurückzukommen), wäre es optimal nur bis nahezu Orbitalgeschwindigkeit zu beschleunigen und den Rest eine kickstufe erbringen zu lassen. Dann würde auch die Nutzlast für höhere Bahnen oder GTO.-Bahnen nicht so extrem abnehmen wie beim Shuttle. Ein derartiges Konzept ist z.B. das Everest von EADS/Dassault.

Zum Schluss noch ein paar Zahlen, die nun zu STS-135 veröffentlicht wurden. Die Durchschnittlich in den Orbit beförderte Nutzlast betrug nur 11.600 kg pro Flug. Weit unterhalb der Maximalmenge von 21 t (Columbia) bzw. 34,7 t (andere Orbiter) – das zeigt das man nicht mal das System nicht ausnutzen konnte. Die Gesamtkosten des Shuttles betrugen nach NAA Angaben 208 Milliarden Dollar. Sie waren damit höher als von Apollo (151 Millionen Dollar, beide Zahlen inflationskorrigiert).

16 thoughts on “Das Ende des Space Shuttles – der fehlende Nachfolger

  1. Ich spekuliere mal, das es eine heimliche Ambition bei der Entwicklung des Shuttles war, dass man ein Weltraumgefährt zur Verfügung hat, das sich ähnlich verwenden lässt, wie ein Flugzeug. Also genau so, wie es in der Science Fiction gängige Praxis ist.
    Nun muss man (also auch ich!) sich eingestehen, das man dazu noch nicht in der Lage ist, weil zum einen die Materialien fehlen, aus denen so ein Gefährt sicher gebaut werden kann (speziell beim Wiedereintritt in die Atmosphähre) und zum anderen die Technologie fehlt um insbesondere die Antriebe bauen zu können, die die dafür erforderlichen Leistungen erbringen können.
    Und da sich speziell bei der Frage des Widereintritts sowohl Experten wie auch andere mit den Grundlagen der Materie vertraute Leute für Kapseln aussprechen, werden die wohl wieder kommen. In diesem Zusammenhang prognostiziere ich mal, das es irgendwann so in 20 oder 30 Jahren die Fliegenden Untertassen tatsächlich geben wird. Eben grosse Kapseln, deren Ähnlichkeit mit dem, was man sich heute unter einer fliegenden Untertasse vorstellt, nicht von der Hand zu weisen ist. Der Unterschied wird wahrscheinlich sein, das die nur eine Flugrichtung kennen werden, nämlich von oben nach unten. (Ein paar Steuermöglichkeiten zur Seite nicht ausgeschlossen, um in einem definierten Gebiet herunter zu kommen.)

    Noch eine Anmerkung zu den nur einmal verwendbaren Teilen: Auch wenn sie nur einmal verwendet werden, so bin ich dennoch der Meinung, das sie wieder geborgen und nicht auf den Grund der Ozeane versinken sollten. Das dürfte derzeit zwar noch etwas den Preis in die Höhe treiben, aber es bleibt trotzdem die Frage, ob es langfristig nicht gesunder ist, wenn wir die Ozeane sauber halten, indem wir den Schrott zu dem beispielsweise eine ausgebrannte Ariane Unterstufe wird, wieder einsammeln. Selbst wenn man sie nicht noch einmal verwenden kann, so kann man das Material doch wieder einschmelzen oder sonstwie recycln, meine ich.

  2. Nun ja Stufen gehen seit Jahren unter und das gilt auch für andere Stufen. Natürlich kann man sich über die Umweltbelastung Gedanken machen. Doch die ist kleiner als bei den so als „enviromental Friendly“ betitelten LOX/Kerosin Stufen. Da gibt es typischerweise 0,5% unverbrannten Resttreibstoff und das ist eben auch Kerosin, das sich als Ölfilm aufs Wasser legt. Anders als Benzin verdampft es auch nur schwer.

  3. Ich vermute mal daß die Entscheider über Shuttle oder Kapsel aus dem Flugzeugbereich kamen, und vom Bauch her einen Launcher als (lenkbares) Flugzeug eingestuft haben, welches eine lokale Steuerung und einen lokalen Entscheider (Pilot) erfordert.

    Wenn man einen Launcher als Geschoß statt als Flugzeug einstuft, sieht die Frage der Lenkung anders aus; Steuerung und Entscheidung finden in einem Kontrollstand am Boden statt, und alle Personen an Bord sind Passagiere. (hier sind dann auch Testpiloten überflüssig.)

    Als zweites fürchte ich, das ab einer bestimmten Führungsebene die Entscheider über was entwickelt werden soll, das extreme Verhältnis zwischen erforderlichem Treibstoff und Nutzlast, welches den Unterschied zwischen einem Flugzeug und einer Rakete, die eine Umlaufbahn erreichen soll, ausmacht zwar vielleicht im Kopf wissen, aber nicht im Bauch.

    Betreffend Verfügbarkeit von geeigneten Materialien für die Struktur eines wiederverwendbaren Rumschiffes/Rakete:
    Ich denke die heute verfügbaren Materialien sind völlig ausreichend.
    Das große Problem ist, daß es keinen Treibstoff gibt (und vermutlich auch nicht geben kann), der die zehnfache Energiedichte der heute verfügbaren Treibstoffe hat; bei gleicher Lagerbarkeit.

    Es ist nun ein großes Problem einen Ansatz:
    – das Optimum aus den verfügbaren Techniken, Resourcen und Geld herausholen
    an Menschen zu vermitteln, die gewohnt sind zu entscheiden wie etwas zum machen ist (oder für die es extrem wichtig ist, entscheiden zu können wie etwas zu machen ist).

  4. Die Geschichte des Shuttles ist vielfältig. Es mischten sich viele ein. So war das MSC immer für die bemannte Version aus obigen Gründen. Das es so groß wurde verdanken wir wiederum der Air Force. Das schließlich der Tank extern wurde und es zwei Booster gab verdankt man Nixon und den Budgetkürzungen.

    Aber mit der Technik hat das nichts zu tun. Das Shuttle ist einfach ein Prototyp und Prototypen dienen dazu aus ihnen zu lernen und die Fehler zu korrigieren. Der Tank und die Booster blieben ja im Preisrahmen – sie basieren auf dem was Stand der Technik war. Nur beim Orbiter gelang das nicht.

  5. Zu den Zahlen gehört auch, dass mehr als die Hälfte der gesamten Masse aller Nutzlasten, die seit Sputnik 1 von allen Nationen gestartet wurden, vom Shuttle transportiert worden sind.

  6. Erst einmal: So groß sind die vom Shuttle gestarteten Nutzlasten bei weitem nicht. Die durchschnittliche wirklich gestartete Nutzlast beim Shuttle liegt bei knapp 12 Tonnen. Weniger als die Proton schafft – und die hatte mehr als doppelt so viel Starts.
    Selbst wenn man in den USA bleibt: Die Saturn 5 hat insgesamt etwa die gleiche Nutzlast in Erdumlaufbahnen gebracht.
    Und gegen die Sojus mit über 900 Starts sieht der Shuttle ganz schön blass aus, selbst wenn er bei jedem Start das theoretisch mögliche Maximum ins All gebracht hätte.

    Raumschiffe in Untertassenform sind vor allem eins: Unpraktisch. Im Vergleich zu den heute üblichen Formen haben die ein viel schlechteres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Das heißt sie wären bei gleicher Nutzlast deutlich schwerer. Solange es keinen Antrieb gibt, der eine ringförmige Bauform erfordert, wird man auf Untertassen wohl verzichten.

    Die Umweltbelastung durch ins Meer fallende Raketenstufen hält sich auch in Grenzen. Sämtliche pro Jahr gestarteten Raketen zusammen wiegen etwa so viel wie ein mittelgroßes Frachtschiff. Davon fallen aber nur grob geschätzt 10% ins Meer, der Rest verbrennt (Treibstoff) oder gelangt ins All (Oberstufen, Nutzlast). Pro Jahr versinken aber mehr Schiffe als nur eins. Beim Treibstoff ist der Unterschied noch größer. Wenn eine Raketenstufe ins Meer fällt, ist der Treibstoff bis auf geringe Reste verbrannt. Wenn ein Schiff untergeht sind die Tanks aber bei weitem noch nicht leer…
    Zum Recyclen noch ein Vergleich: Ariane-Booster rund 33 Tonnen Schrott, Ariane EPC rund 12 Tonnen, Titanic 53.147 Tonnen. Schiffe sind also viel lohnendere Mengen, und viele liegen an bekannten Stellen in leicht zugänglichen Gebieten. Trotzdem lohnt es sich nicht die zum Verschrotten zu bergen. Eine Raketenstufe muß man aber erstmal finden, und dann ist es nur Krümelkram. Das wirklich teure Material (zum Beispiel Beryllium-Legierungen) wird in Oberstufen und Nutzlasten verbaut. Die fallen aber normalerweise nicht ins Meer. (Hofft man zumindest.)

  7. Die Russen verschrotten die herunterfallenden Stufen regelmäßig … kontrollieren aber auch nicht, wem sie aufs Dach fallen können.

    Übrigens, die Zahl der verschwundenen Schiffe bewegt sich in der Größenordnung ein bis zwei pro Woche – allerdings keine kleinen Fischkutter oder so, sondern nur die richtig dicken Dinger.

  8. Daß das Shuttle gestorben ist, ist technische Evolution. Die Dinosaurier sind gestorben. Je stärker die wirtschaftlichen Zwänge, um so beschhleunigter erfolgt diese natürliche Auslese. Deswegen ist der Sowjet-Shuttle (Energija Buran) auch schon nach einem Jahr gestorben.

    Und wegen eines Ölfilms eines kleinen herunterfallenden Oberstüfchens (oder Stövchens)? Bernd, das ist doch nicht wirklich dein Ernst? Wir haben eine verrottende Atom-Uboot-Flotte aus durchrostenden Schrottwracks (russische Ex-Nordmeerflotte) in den Ozeanen deren Fisch wir essen, und du machst dir Sorgen wegen eines Ölfilmchens eines Oberstövchens? Da hat man mehr Ölfilm wenn ein Matrose die Fettwegpille Alli schluckt und einen öligen Stuhl ins Meer scheißt.

  9. Ich meine nur, wenn man sich um leere Stahlhülsen schon Gesanken macht, dann doch bitte auch um den Ölfilm und die Schädigung der Ozonschicht.

    Ich denke „Ich“ rechnet wie die NASA die beim Eintritt in die Umlaufbahn rund 120 t schweren Orbiter mit zur Nutzlast. Tolle Idee, dann hat ab jetzt die Ariane 5 auch eine Nutzlast von 14,3 t. Schließlich muss man die ausgebrannte Oberstufe ja auch mitrechnen….

    Hmmm… nun verstehe ich langsam wie SpaceX seine Nutzlasten errechnet…

  10. >Verkehrsvision meint:
    >
    >Und wegen eines Ölfilms eines kleinen herunterfallenden Oberstüfchens
    >(oder Stövchens)? Bernd, das ist doch nicht wirklich dein Ernst?

    äh sorry, aber das war nicht Bernd, der mit den herunter gefallenen Stufen angefangen hat, sondern ich. Aber wenn ich die Einwände so betrachte, dann mag der Schrott, den die Raumfahrt hinterlässt, momentan wohl wirklich das kleinere Problem sein. Das bedeutet allerdings nicht, das es keines ist. Nur liegen die Schiffswracks nicht innerhalb der Zuständigkeit der Raumfahrtorganisationen. Dennoch schadet es nicht, wenn auch da langsam mal ein umdenken einsetzt, und man alte Schiffe ordentlich abwrackt und verschrottet, anstatt sie irgendwo zu versenken oder in Häfen vergammeln zu lassen.

    Appropos Ozonschicht: Vor allem an heissen Sommertagen hat man doch oft das Problem, dass sich das Zeug in Bodennähe bildet, wo man es allerdings nicht braucht. Und da, wo es hingehört, nämlich in den oberen Atmosphärenschichten, da fehlt es. Nun ist es wahrscheinlich wieder naiv zu denken, dass man das Ozon in Bodennähe „einfach einsammeln“ kann, und so einen oder mehrer Tanks davon „mal eben“ in die oberen Atmosphärenschichten schiesst, wo sie sich automatisch entleeren, oder??? – Sie brauchen dazu nicht mal Orbitalgeschwindigkeit erreichen, die Höhe würde ja genügen. Es müsste nur sichergestellt sein, das sie lange genug in der richtigen Höhe bleiben…

  11. Man könnte ja eigentlich auch wie beim Shuttle die Triebwerke, Pumpen und Elektronik in kleine Gleiter an die Seite des Tanks hängen und dann nur diese Gleiter wiederverwendbar machen. Zumindest in der ersten Stufe halte ich das für recht sinnvoll. In den Oberstufen wäre der Aufwand natürlich größer, da diese Gleiter dann einen Wiedereintritt überstehen und auch Treibstoff dafür mitführen müssten. Wenn man diese Gleiter dann, wie Bernd schon bemerkt hat, vielleicht 5-10 Mal einsetzt kommt man dann in eine Art Serienproduktion. Man könnte auch zuerst eine Unterstufe nach diesem Prinzip entwickeln und dann nach und nach vielleicht das mit den Oberstufen in Angriff nehmen. Wenn man später die Rakete vielleicht in der Leistung steigern will könnte man auch mehrere dieser Gleiter an einem größeren Tank verwenden.

    Für die bemannte Raumfahrt ist vermutlich eine Kapsel im Augenblick am sinnvollsten. Man könnte so eine Kapsel ja vielleicht auch an Land landen. Ich dachte, zumindest für Gemini sei mal so etwas wie ein Gleitschirm oder Drachenflieger untersucht worden.

  12. Wir haben nur deshalb so viel Weltraumschrott, weil man die Kosten eines kontrolliertes Wiedereintritts ausgedienter Objekte gespart hat.
    Das bedeutet für jedes Oberstövchen z.B. wieder ein extra Lagekontrollsystem und Bremstriebwerke. Für Satelliten bedeutet das ein autarkes Brems- und Wiedereintrittssystem, was in seiner Zuverlässigkeit und Lebensdauer die restlichen Systeme des Satelliten übertreffen muß.

    Alles gesparte Kosten.

    Und das ist der Unterschied zur terrestrischen Schifffahrt. Ein Schiffswrack kann vielleicht maximal 1/2 Jahr im offenen Meer treiben, bis es strandet, wenn es nicht vorher sinkt.
    Wobei, es gibt ja den berühmten Müllstrudel im Pazifik. Lauter „Gelbe-Sack“-Objekte der Zivilisation. Vielleicht doch an der Stelle Ähnlichkeiten mit Weltraumschrott, nur daß die Relativgeschwindigkeiten waaahnsinnig unterschiedlich sind.

  13. Der meiste Weltraumschrott sind aber keine Oberstufen und Satelliten. Das geht von abgeworfenen oder abgebrochenen Teilen über bei Ausstiegen verlorene Gegenstände bis hin zu den Aluminiumoxid-Krümeln, die von Feststoffraketen ausgestoßen werden. Ganz zu schweigen von den tausenden Trümmerstücken, die beim Abschießen von Satelliten entstehen.
    Selbst wenn sämtliche ausgedienten Oberstufen und Satelliten per kontrollierten Wiedereintritt entsorgt worden wären, hätte das die Zahl der Trümmerteile nicht spürbar verringert.
    Außerdem sind die noch relativ ungefährlich, weil leicht zu orten. Die Bahnen sind bekannt, und man kann ihnen ausweichen. Problematisch sind die kleinen Teile, die man nicht orten kann. Und bei den Geschwindigkeiten kann auch schon ein erbsengroßes Krümel ordentlich Schaden anrichten.

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