Sprüche die nerven: „Die Erde ist die Wiege der Menschheit, doch niemand kann sein ganzes Leben in der Wiege verbleiben“

Ja dieses Zitat ist von Ziolkowski und wird immer gebracht wenn es um bemannte Raumfahrt im Allgemeinen und Besiedelung anderer Planeten im besonderen geht. Es ist auch ein gutes Beispiel wie man zwei Aussagen falsch kombiniert. Der erste Halbsatz erste ist ja eine Verallgemeinerung, denn damals sagte man z.B. „Ägypten ist die Wiege der Zivilisation“, weil es die älteste bekannte Hochkultur war. Heute spricht man übrigens von Afrika als Wiege der Menschheit, nachdem man weiß, das der Homo sapiens sapiens sich aus einer relativ kleinen Population in Afrika entwickelte.

Die Verfremdung erhält man durch zwei Dinge. das eine ist das das Wort wiege im zweiten Satz eine andere Bedeutung hat. Im ersten Teil im Sinne von „Ursprung“, im zweiten im Sinne von „Zuhause, Heim“. Verstärkt dadurch dass man gleich die Erde genommen hat. Würde man beide Sätze in dem Sinne wie man es heute verwendet „Afrika ist die Wiege der Menschheit“ verbinden, dann wäre es ja noch richtig, denn die Menschheit hat sich ja über die ganze Erde verbreitet.

Der Irrtum den man leider aber auch sonst überall sieht ist, das das exponentielle Wachstum der Menschheit einfach immer weiter gehen kann. Das ist ein Thema für sich, das ich auf de Website auch genauer würdige, aber schon bei der Besiedlung der Erde sieht man das es Grenzen gibt – wir leben nicht im Wasser, nicht in Wüsten, nicht in der Antarktis und nicht auf hohen Bergen. Einfach deswegen weil es zu wenige oder zu viel Wasser gibt, es zu heiß oder zu kalt ist oder die Luft zu dünn. Auch das wäre ein Thema für sich, das ja so gerne ignoriert wird: im Vergleich dazu, dass man den Mars bewohnbar macht, wäre die Besiedelung der gesamten Oberfläche der Erde (die größer als der Mars ist) ein echtes Kinderspiel. Selbst Siedlungen auf dem Ozeanboden wären einfacher umzusetzen als welche auf dem Mars.

Waren es mir geht ist, dass die meisten Leute die ich kenne und die diesen Spruch benutzen immer sagen: „Das Aufbrechen ins Sonnensystem ist die Langezeitaufgabe, Mag sein, das wir das heute noch nicht können, aber mit sich entwickelnder Technologie sicher bald“.

Na ja so einfach ist es eben doch nicht. Man kann zwar an viele andere Antriebe denken. Von heute schon umsetzbaren wie nuklearen oder Ionentriebwerken, bis hin zu theoretisch denkbaren, aber heute nicht verwirklichbaren wie Antimaterie Zerstrahlung oder Laserantrieb.

Der springende Punkt ist, dass alle diese Technologien nur im Weltraum funktionieren. In den Weltraum müssen wir sie mit einer chemischen Rakete transportieren. Daran wird sich auch nichts ändern, entweder weil die Technologie in der Atmosphäre nicht einsetzbar ist oder sie zu wenig Schub hat. An der Erdanziehung kann man nun mal nichts drehen und nur in einer chemischen Verbindung können wir so viel Energie speichern und in so kurzer Zeit wieder abrufen.

Das bedeutet, die Transportkosten in den Weltraum, in eine erdnahe Umlaufbahn, werden die Besiedlung bestimmen. Selbst wenn wir in einer Fernen Zukunft kein Material zum Mars transportieren müssen, weil wir es dort vor Ort gewinnen könne, so müssen die Mannschaften doch zumindest mit einer Kapsel oder einem Shuttle in den Erdorbit gelangen, von wo sie dann auf ein wiederverwendbares und mit anderen Antrieben ausgestaltetes Transfervehikel umgeladen werden. Egal was dieses kostet, wenn schon der Flug in eine Erdumlaufbahn unerschwinglich ist können wir die Besiedlung vergessen.

Also orientieren wir uns daran, wie Wiederverwendbarkeit heute aussieht. Beim Shuttle war es so, dass die Orbiter 100-mal wiederverwendbar sein sollten. Die Triebwerke nur 55-mal und die Feststoffbooster 20-mal. Wobei sich dies nur auf die Hülsen bezog. Düsen und Endstücke gingen jeweils verloren und der Tank ebenso.

Bedingt durch die hohen Temperaturen und den hohen Druck sind Triebwerke in ihrer Lebensdauer einfach nicht mit Flugzeugtriebwerken zu vergleichen. Die Space Shuttle Triebwerke sind ja schon mit 55 Einsätzen was besonderes. Die meisten anderen Typen haben eine Lebensdauer von dem 5-10 fachen Normbetriebsdauer. In diesem Bereich liegen F-1, J-2, RL-10 und Vulcain. Das Merlin 1D hat nach SpaceX Angaben sogar nur eine von 4:1, was dann ein kleineres Problem für die Wiederverwendung ist. Der Preis für die 55-fache Lebensdauer gegenüber der Normbetriebsdauer der SSME ist, dass sie nach jedem Einsatz ausgebaut und inspiziert wurden. Das war nicht geplant, anders war es aber nicht umsetzbar. Zudem sind sie daher sehr teuer, doppelt so teuer wie das doppelt so schubstarke RS-68. Das hebt dann in gewisser Weise die Vorteile wieder auf.

Auch bei den Strukturen wird es klar sein, dass man nicht wie bei einem Flugzeug Hunderte von Starts bis zur ersten Inspektion hat. Man wird sie nach jedem Start auf Haarrisse untersuchen müssen. Trotzdem werden sie hohen Temperaturen und Druck beim Wiedereintritt ausgesetzt werden, was das Material ermüdet. Ich denke wenn man sie 100-mal wieder verwenden kann, wird man glücklich sein. Das gilt dann für Kapseln oder Shuttles.

Versuchen wir mal eine grobe Überschlagsrechnung. Nach diesem Artikel kostet der Start zu einer Bigelow Raumstation mit einer Dragon 26,25 Millionen pro Person. Bei 7 Personen pro Kapsel sind das dann 183,75 Millionen pro Start – teurer als die CRS Kontrakte, aber da muss die Kapsel ja auch nicht Menschenleben schützen. Nach Auskunft von Elon Musk (und das übrigens mal übereinstimmend zu meinen Berechnungen) sinkt die Nutzlast durch die höheren Strukturgewichte auf die Hälfte ab. Das verdoppelt die Startkosten und addiert weitere 59 Millionen zu den 183,5 Millionen.

Wie wir von den SSME wissen sind sehr oft wiederverwendbare Triebwerke viermal teurer pro Schub als normale. Da Triebwerke das teuerste an der Rakete sind, kann man davon ausgehen, dass wenn man die Merlin 1D durch Exemplare ersetzt die nicht nur viermal sondern fünfzigmal verwendet werden kann sich der Raketenpreis nochmals verdoppelt (entsprechend 50% der Gesamtkosten für die Triebwerke). Dann wären wir bei 360,5 Millionen Dollar pro Flug. Nun das positive: Diese verteilen sich auf 100 Flüge (Strukturen) bzw. 50 Flüge (Triebwerke). Das wären dann Abschreibungskosten von 4,785 Millionen Dollar pro Flug.

Dazu kommen dann Kosten für die Inspektion. Bei der Falcon 1 wo ja nur die erste Stufe wiederverwendet werden sollte, rechnete Space X mit 50.000 Dollar pro Flug bei 4,9 Millionen pro Rakete. Bei zwei Stufen und einer bemannten Kapsel werden sie aufgrund der höheren Anforderungen sicher höher sein. Rechnet man mit 2% der Summe der Hardware, dann addiert das weitere 7,2 Millionen Dollar pro Start.

Zuletzt mus man bei jedem Start etwas austauschen: Verschleißteile wie z.B. den Hitzeschutzschild oder die äußerste Oberfläche der Kapsel. sowie den Thermalschutz der Stufen. Dafür gibt es keine Vorbilder was dies kostet. Selbst wenn ich nur konservative 2% der Gesamtkosten ansetze sind das weitere 7,2 Millionen Dollar pro Flug. Relativ preiswert ist der Treibstoff. Bei durchschnittlich 1-2 Euro pro Kilogramm kosten die rund 460 t Treibstoff die eine Falcon 9 verbraucht, nur 0,46 bis 0.92 Millionen Dollar.

Damit würde ein Start für 7-Astronauten in einer (wie ich denke sehr optimistischen) Abschätzung rund 19,665 bis 20,125 Millionen Dollar. Rechnet man 20 Millionen, so ist ein Sitz dann mit 2,9 Millionen fast zehnmal weniger als ohne Wiederverwendung . Dabei denke ich ist die Annahme für die Technik recht optimistisch, denn heute geht keiner mehr von zehnmaliger Wiederverwendung aus. Konzepte für weich landende Stufen wie Baikal oder die LFBB gehen von einer Wiederverwendung unter zehnmal aus. Selbst bei höheren Frequenzen, sagen wir mal Tausend, sinkt nur der Teil der Abschreibungskosten der Hardware. Dafür dürfte der Posten „Inspektion“ ansteigen, weil je öfters etwas im All ist desto mehr muss ich auf Alterungserscheinungen untersuchen. Beim Space Shuttle hat man gerade diesen Posten stark unterschätzt. Das könnte auch bei einem zukünftigem System so sein. Vielleicht ist man aus diesem Grund auch eher bereit nur eine zehnmalige Wiederverwendung mit geringeren Servicekosten und geringen Anforderungen an die Lebensdauer der Triebwerke anzustreben.

Immer anfallen werden neue Hitzeschutzschilde, neue thermische Überzüge der Stufe und der Treibstoff. Selbst wenn man wie bei Flugzeugen mal dahin kommt, dass man hunderte von Starts ohne Inspektionen hat, dann wird man immer noch auf diesen Fixkosten im niedrigen Millionenbereich sitzen bleiben. Dann würde ein Ticket wahrscheinlich unter 1 Million kosten – doch selbst dann ist es nicht für jedermann erschwinglich, geschweige denn die ganze Menschheit um zum Sprichwort zurückzukommen.

Persönlich meine ich wird es nicht so kommen, das lehrt die Erfahrung. Raketentriebwerke sind teuer. Wie jedes technische Produkt das Spitzenleistung erfordert. Gleichzeitig sinkt die Lebensdauer ab. Genauso wie ein Rennwagenmotor teurer als ein PKW-Motor ist und nicht 500.000 km durchhält ist ein Raketentriebwerk teuer als eine Feuerwerksrakete und hält eben nur einige Starts durch und nicht tausende von Betriebsstunden wie ein Düsentriebwerk, das ja auch Treibstoff verbrennt. Je höher die Anforderungen werden, desto teurer wird es. Die kosten steigen dann exponentiell an. Die Concorde war bei „nur“ doppelter Geschwindigkeit erheblich teurer als ein normales Flugzeug und alle Versuche schnellere und wirtschaftliche Flugzeuge zu bauen scheiterten. Man kann mit Mach 3 fliegen – an Bord eines Düsenjägers. Nur kostet dann eine Stunde schon 25.000 Dollar und man kommt bei diesen (im Vergleich zur Orbitalgeschwindigkeit) kleinen Geschwindigkeit schon in den Bereich für einen Sitz auf einer Rakete.

Nimmt man die Startkosten für Raketen mal unter die Lupe, die ja auch anfallen, so merkt man, dass bei der Wiederverwendung diese ganzen „Servicekosten“ die mehr mit Prüfen, Qualitätssicherung etc. zu tu  haben eher ansteigen werden. Wenn dann die Hardware weniger kostet, fällt das nicht so sehr ins Gewicht. Persönlich denke ich ist eine Halbierung der Kosten realistisch, wenn man wirklich mal dahin kommt alles hundertmal wiederzuverwenden und gleichzeitig auch die ganzen Kosten für Wartung und Start radikal reduzieren kann, dann ist vielleicht eine Reduktion um den Faktor 10 möglich, aber dann ist man immer noch in einem Bereich von mehreren Millionen pro Sitz.

Dann ist man übrigens aber immer noch erst in einem Erdorbit und noch nicht auf dem Mars. Auch da kommen dann noch weitere Kosten hinzu. Vergleicht man die Kosten eines Marsflugs mit dem zur ISS dann würde es nicht viel nützen das um den Faktor 100 billiger zu machen – man liegt dann immer noch im zweistelligen Millionenbereich.

Anstatt etwas anzustreben, das eh nicht umsetzbar ist sollte jeder beginnen die Erde hier weniger zu verschmutzen und weniger Ressourcen zu verbrauchen. Das ist wohl wichtiger für die Menschheit als die Möglichkeit mal auszuwandern.