Was bleibt übrig? – Teil 2

Ich setzte nun den Blog von vorgestern fort. Gehen wir heute an die zweite Stufe der Falcon 9. Was sind hier die Herausforderungen. Nun offensichtlich ist, das die thermische Belastung höher ist. Die Stufe tritt mit der fünffachen Energie der ersten in die Atmosphäre ein. Es ist hier zwingend ein Hitzeschutzschild nötig und selbst dann sind die Verzögerungswerte höher. Nimmt man an, dass die 6,15 m lange Tanklänge mit dem Hitzeschutzschildmaterial PICA begleitet ist und nimmt man die bekannte Dichte vom MSL an, so erhöht dies die Masse um 364 kg.

Dazu kommt noch die nötige strukturelle Verstärkung. Da schon die erste Stufe um 60% schwerer als eine nicht bergungsfähige ist, ist es sicher nicht falsch hier die doppelte Leermasse anzunehmen.

Bleibt noch die Frage des Treibstoffs. Dies ist nun höchst variabel. In einem niedrigen Orbit bis zur Höhe der ISS reichen 100 m/s aus um die Stufe soweit abzubremsen, dass sie in die Atmosphäre eintritt. Das nimmt gravierend zu, wenn die Bahn höher wird. In 800 km Höhe sind es schon 200 m/s. Das ist die typische Höhe von sonnensynchronen Satelliten. Es setzt ein negativer Feedbackkreislauf ein: Für höhere Umlaufbahnen sinkt die Nutzlast wegen der höheren Energie ab, gleichzeitig ist die Treibstoffreserve höher, was ebenfalls von der Nutzlast abgeht.

Bei GTO Bahnen ist die Situation zwar energetisch einfach (es wird nicht mehr Treibstoff benötigt als in einer niedrigen Umlaufbahn), doch selbst wenn man sofort nach der Abtrennung der Nutzlast abbremst, durchläuft man einen ganzen Orbit. Während dieser Zeit muss die Stufe aktiv bleiben und stabilisiert bleiben. Das bedeutet weiteren Treibstoff und größere Batterien.

Dafür benötigt man weniger Treibstoff für das Umdrehen der Bahn wie dies bei der ersten Stufe nötig ist. So nehme ich an, dass dieselbe Treibstoffreserve von 500 m/s für die häufigsten Flüge, zur ISS nötig ist. Das erhöht die Masse zu Brennschluss von 3 auf 7,26 t.

Die Folgen sind gravierend. Die Nutzlast sinkt um 4 t auf 3,9 t ab. Der Einbruch ist bei anderen Bahnen noch gravierender. Bei der ISS Transferbahn sind es nur noch 2,8 t (ohne Wiederverwendung: 8,56 t) und in GTO Bahnen gelangt gar keine Nutzlast mehr.

Was durch einfache Überlegung schon offensichtlich ist (die Trockenmasse der Oberstufe muss zur Nutzlast gezählt werden – steigt diese an, so sinkt die Nutzlast im gleichen Maße ab). ist rechnerisch leicht beweisbar. Es macht – und das zeigt dass die SpaceX Videos nichts weiter als P&R sind – es macht keinen Sinn die zweite Stufe zu bergen, selbst wenn man sie zu 100% wiederverwenden könnte. Sie enthält nur eines von zehn Triebwerken, nur ein Achtel des Treibstoffs. Für diesen kleinen finanziellen Gewinn bei der Wiederverwendung halbiert man die Nutzlast für erdnahe Orbits, bzw. GTO Bahnen also das Brot- und Butter Geschäft ist dann gar nicht mehr erreichbar. Das ist so unsinnig wie Geld zum Heizen von Öfen zu benutzen….