Der Vergleich der Luftfahrt mit der Raumfahrt

Auf mein Thema bin ich gekommen durch eine Sendung, in der mal wieder (zum wiederholten Male) der Vergleich der Raumfahrt mit der Luftfahrt gezogen wurde. Schließlich sei die anfangs auch gefährlich und teuer gewesen und heute fliegt fast jeder zumindest in der Ersten Welt. Ich dachte, ich habe das Thema schon mal beackert, doch ich finde es nicht. Also aufs Neue (oder erste).

Vergleicht man die Entwicklung der Raumfahrt mit der Luftfahrt, so gibt es wirklich einige Parallelen. So die schnelle Entwicklung in den ersten Jahrzehnten. Nimmt man z. B. die zurückgelegte Strecke als Maßstab, so führten die ersten Hüpfer über einige Hundert Meter. 6 Jahre später ging es über den Ärmelkanal, also etwa 50 km. Der Atlantik wurde 1928 überquert, das ist die 100-fache Strecke. Danach wurde die zusätzliche Strecke kleiner, auch weil man auf der erde maximal 20.000 km von einem Punkt zum Nächsten zurücklegen muss.

Bei den Geschwindigkeiten stiegen diese zuerst stark an, um kurz vor dem Zweiten Weltkrieg langsamer anzusteigen, um etwa 750 km/h zu erreichen. Das ist so das Maximum, das ein Propellerantrieb leistet. Durch die Erfindung des Düsenantriebs gab es einen neuen Schub, um aber auch bei knapp Mach 3 wieder stehen zu bleiben. Heute sind neue Flugzeuge eher langsamer sowohl Passagier wie militärische Maschinen.

Wir finden das auch bei der Raumfahrt, So der Anstieg der beförderten Nutzlast, das ein Maximum bei 120 t mit der Saturn V erreichte. Seitdem bleibt die maximale Nutzlast bei einem Maximum die 20-30 t in LEO entspricht. Dasselbe kann man bei den Höchstgeschwindigkeiten oder den Entfernungen, die zurückgelegt wurden, feststellen – erst eine schnelle Entwicklung, dann nur noch langsamer Anstieg oder Rückgang (bisher hat kein Körper mehr Distanz zurückgelegt als Voyager 1 + 2 und die starteten schon 1977).

Doch mehr als Rekorde interessiert die Leute ja, wie bezahlbar etwas ist. Der Kommerz in der Luftfahrt fand nach dem ersten Weltkrieg statt. Zuerst mit Briefpost, dann mit den ersten noch teuren Passagierflügen. Über die Ozeane ging der zivile Transport nach dem Zweiten Weltkrieg los, doch war es auch damals noch teuer und nur etwas für besser verdienende. Das änderte sich erst mit der Einführung des Düsenantriebs. Der Düsenantrieb hat einige Vorteile gegenüber dem Benzinmotor der einen Propeller antrieb. Er hat pro Kilogramm Masse mehr Leistung, er ermöglicht höhere Geschwindigkeiten und verliert in großer Höhe weniger Leistung als ein Propellerantrieb. So kann ein Flugzeug in 12 km Höhe als reguläre Flughöhe wählen – der geringere Luftwiderstand lässt dort etwas höhere Geschwindigkeiten zu und senkt den Treibstoffverbrauch. Erst so sanken die Reisezeiten von Flugzeugen stark ab, es gingen viel mehr Passagiere in eine Maschine und beides zusammen verbilligte die Tickets enorm.

Es gibt in der Tat eine Parallele zur Raumfahrt: Kostenreduktion ist mit neuen Antrieben verbunden. Bei der Luftfahrt mit Propeller -> Düsenantrieb. Bei der Raumfahrt wären Nachfolger des chemischen Antriebs wohl der elektrische Antrieb. Alternativ gäbe es noch den Nuklearantrieb und Sonnensegel. Der Erstere lohnt sich nur bei großen Nutzlasten, der zweite nur bei kleinen. Elektrische antriebe werden jetzt (obwohl seit über 40 Jahren erforscht) gerade bei Kommunikationssatelliten eingeführt und sollend deren Startkosten halbieren.

Soweit die Parallelen. Nun kommen wir zu den beiden großen Unterschieden, Der erste wichtige Unterschied ist, dass es zwar viele weitere technische Alternativen zum Raketenantrieb gibt, aber von der Erdoberfläche aus keiner diesen ersetzen kann. Ionenantriebe haben zu geringen Schub. Nukleartreibwerke würden theoretisch gehen, aber die Gefahren sind bei Fehlstarts zu groß. Laserantrieb funktioniert nur im Weltraum, Sonnensegel auch. Die Beschleunigung durch Magnetfelder überleben nur robuste Nutzlasten, heute nicht mal Satelliten.

Damit bleibt ein Sprung wie bei der Einführung von Düsenflugzeugen aus. Unbestritten ist die Raumfahrt billiger geworden. Die erste Ariane 1 kostete 60 Millionen Dollar bei 1.800 kg Nutzlast. Heute kostete eine Ariane 5 zwar 180 Millionen Dollar, aber bei 10.500 kg Nutzlast, ist also pro Kilogramm um den Faktor 2 billiger geworden. Wenn man 3% Inflation ansetzt (in den Achtzigern war die zeitweise sehr hoch) so ist es sogar der Faktor 5,3. Trotzdem hat die Raumfahrt heute das Niveau der Luftfahrt nach dem Ersten Weltkrieg erreicht: Normalbürger können einen Cubesat finanzieren oder einen 10 Minuten Schwerelostrip (suborbital), verglichen mit der Briefpost per Flugzeug oder einer Runde um den Platz bei einer Luftfahrtschau.

Wird sich etwas daran ändern? Nicht fundamental. Was beide Sektoren schon immer unterscheidet, ist der Faktor Sicherheit und Nutzlast, beide sind aneinander gekoppelt. Ein Transportflugzeug hat heute eine Nutzlast von einem Drittel des Startgewichts, bei Verzicht auf Treibstoff kann es auch mehr sein. Bei einer Rakete sind es vielleicht 3%, meist weniger. Ein Flugzeug kann daher mehr Sicherheitsspielräume haben. So kann ein Motor ausfallen und es kann noch fliegen. Viele Maschinen können im Gleitflug noch eine Bruchlandung hinlegen, bei der die meisten Passagiere überleben. Will man so etwas für Menschen in der Raumfahrt erreichen müsste man die Systeme redundant auslegen, was die Nutzlast stark reduzieren würde. Um mehr Nutzlast zu transportieren, lässt man ind der Raumfahrt ja die schützende Kapsel weg, mit der Menschen transportiert werden (theoretisch könnte man jeden Satelliten in eine Raumkapsel einsperren und diese bei einem Fehlstart abtrennen und bergen – weil das aber teurer ist, als den Satelliten nachzubauen machte s keiner.

Der geringe Nutzlastanteil drückt sich auch in Sicherheitsfaktoren bei Materialbeanspruchungen aus. In der Luftfahrt sind 50% üblich, in der Raumfahrt nur 25%. Vor allem aber: Jedes Flugzeug ist über Jahre einsetzbar, in der es viele Flüge absolviert. Die 3%-Nutzlast sind nur möglich, weil man Raketen bisher nicht wiederverwendet. Das Wiederverwenden kostet in jedem Falle Treibstoff. SpaceX will ja die erste Stufe wiederverwenden, das kostet 30% Nutzlast. Noch größer wäre die Einbuße, wenn man die zweite Stufe wiederverwenden würde. Da diese aber auch kleiner ist, wird das mit jeder Stufe lukrativer. Wie oft man eine Stufe wiederverwenden kann und was man spart wird sich erst zeigen. Das Shuttle kann hier nicht als Referenz dienen. Die Feststoffbooster sind ungleich robuster, ihre Hüllen bestehen aus 12 mm Stahl, nicht wenigen Millimetern Aluminium wie Tanks. Die Triebwerke im Shuttle waren zwar 55-mal wiederverwendbar mussten aber aufwendig gewartet werden. Heute haben Triebwerke ohne spezielle Auslegung eine Lebensdauer von 4-10-facher Betriebsdauer. So lange laufen sie in Tests mit kleinen Reparaturen zwischen einem Testlauf. So würde man wohl erst mal eine Stufe nur wenige Male wiederverwenden. Groß senkt wird dies den Preis nicht. Bei SpaceX ist aufgrund einiger angaben der Herstellungspreis der ersten Stufe berechenbar: etwa 33-35 Millionen Dollar. Würde die Wiederverwendung nichts kosten (keine Bergung, keine Reparatur) und könnte man die stufe 10-mal wiederverwenden (ich denke SpaceX wird darunter bleiben, ihre Merlin 1D lasen maximal dreimalige Verwendung zu) dann sinkt der Startpreis von 61,2 auf 30 Millionen Dollar, also die Hälfte. Das ist zwar viel, aber weit von dem entfernt, wo es für jeden erschwinglich ist. Allerdings mit 30% Nutzlasteinbuße. Pro Kilogramm Nutzlast ist die Ersparnis dann nur noch 21%. Nimmt man dreimalige Wiederverwendung und 10% der Stufenkosten als Bergungs/Reparaturkosten, so ist die Ersparnis mit 25% noch geringer als die Nutzlasteinbuße. Das macht dann nur Sinn, wenn man die volle Nutzlast nicht ausnutzt. Kein Wunder das SpaceX dies bisher nur bei CRS-Flügen erprobt, wo die Maximalnutzlast der Rakete nie ausgenützt wird.

Ich sehe daher auch durch Wiederverwendung in der Zukunft nicht das Potenzial, dass sich an den Kosten drastisch etwas ändert und daher auch nicht das Raumfahrt immer für Normalsterbliche teuer bleiben wird. Das war übrigens auch früher nicht anders. Beim Space Shuttle macht man sich ja gerne über den Anstieg der Kosten lustig. Ein Flug sollte mal 10,4 Millionen Dollar kosten. Was gerne vergessen wird. Damals waren, bevor durch die Inflation in den Siebzigern die Preise stiegen auch die Raketen viel billiger. Eine Titan 3D kostete 1000§ pro Pfund Nutzlast, das Shuttle 160 $. Das fast voll wiederverwendbare System war also trotz optimistischer Schätzungen nur sechsmal teurer als ein vollständig nicht wiederverwendbares System. Bei der Luftfahrt ist das anders. Wenn man 400 Euro für einen Flug über den Atlantik zahlt und 500 Passagiere fliegen (A380) so sind das 200.000 € Umsatz pro Flug. Ein Flugzeug selbst kostet aber rund 100 Millionen Euro bei dieser Maschine, also der Unterschied beträgt 1:500. Das bedeutet, dass Wiederverwendung alleine eben nicht den Unterschied ausmacht. Dafür muss das ganze System geändert werden. Die Durchführung eines Starts kostet z. B. etwa 20-25% des Trägers selbst.

Fazit: Der Vergleich hinkt, aber das verwundert eigentlich niemanden.

26 thoughts on “Der Vergleich der Luftfahrt mit der Raumfahrt

  1. „Eine Titan 3D kostete 1000§ pro Pfund Nutzlast, das Shuttle 160 $. Das fast voll wiederverwendbare System war also trotz optimistischer Schätzungen nur sechsmal teurer als ein vollständig nicht wiederverwendbares System.“

    Wurden an dieser Stelle die Systeme vertauscht? Daneben komme ich bei deiner Beispielrechnung mit einer zehnmaligen Wiederverwendung auf eine Ersparnis von 25%, wenn man zu SpaceX Ungunsten rechnet. Ansonsten eine sehr schöne und infromtive Zusammenfassung, die noch einmal vorrechnet, warum man Luft- und Raumfahrt nicht so einfach miteinander vergleichen kann.

  2. Eine Frage habe ich noch: Woher kommen die Daten zur Mehrfachnutzung des Merlin 1D? Ich finde den Aspekt der Mehrfachnutzung eines Triebwerkes recht interessant und würde gerne mehr darüber erfahren, leider hat Google zum Merlin 1 nichts ausgegeben.

  3. Also: Startpreis offiziell: 61,2 Mill $, Schätzung Preis Erste Stufe: 34 Mill $ (Mittelwert) -> Differenz 27,2 Mill $ plus 34 Mill $ für die erste Stufe/10 = 30,6 Mill $ das sind 50% von 61,2.

    Die Lebensdauer habe ich aus der Pressemittelung der Qualfikation übernommen, demnach laufen sie 4-mal so lange wie beim regulären Betrieb. Davon geht dann noch was für Hot Fire Tests und die Landung ab, sodass man mit 3-maligem Einsatz auf der sicheren Seite ist.
    http://www.spacex.com/press/2013/04/13/spacexs-merlin-1d-engine-achieves-flight-qualification
    „SpaceX’s testing program demonstrated a ratio of 4:1 for critical engine life parameters such as firing duration and restart capacity to the engine’s expected flight requirements.“

  4. Danke für die Informationen zum Merlin. Meine Rechnung bezog die verringerte Nutzlast mit ein. 30/31 Millionen für einen Start. 30% weniger Nutzlast bedeuten, dass die verbliebenen 2 Drittel pro kg um die Hälfte teurer werden müssen. Die Einsparung pro Kilogramm Nutzlast beträgt dann immer noch mehr als 25 Prozent, da 30% ja kein ganzes Drittel sind.

  5. Wenn sie wirklich die gelandete Stufe von der schwimmenden Plattform zum Startplatz zurückfliegen lassen, geht von den drei Starts nochmal einer verloren. Dazu noch der Treibstoff für den Rückflug. Da muß man schon mit einem sehr spitzen Bleistift rechnen, damit sich das noch lohnt.

  6. Nein, weil die Stufe ja weitestgehend leer ist. Wenn sie das gleiche dv aufbauen müssen reichen theoretisch etwa 7-15 s Brennzeit wenn alle Triebwerke arbeiten, abhängig von Stufenmasse und Leergewicht (bei 1800 m/s und 20 t z.B. 7 s) wahrscheinlich wird aber nur eines arbeiten.

  7. Ein A380 kostet weit mehr als 150mio. Grobe Faustformel für den Listenpreis: 1mio pro tonne Abfluggewicht. Rabatte bus zu 30% bei großen Bestellungen sind üblich. Weitere Vergünstigungen gibts für Kunden, die frühe Flugzeuge abnehmen.

  8. Danke für die ganzen Berechnungen.

    Mehr 25% Kostenreduktion bei einer wirklich voll ausgenutzen (= 3x erfolgten) Wiederverwertung sind ergo nicht drin? Und man darf nicht vergessen ,dass dies (zumindestens verstehe ich es so) nur die internen Kosten sind und nicht alles an den Kunden weitergegeben wird.

    Demnach lohnt sich das ganze wirklich nur für Satellitenbetreiber. (Allerdings wie gesagt nur unter der Voraussetzung, das die Wiederverwertung regelmässig klappt.)

  9. Das sind laienhafte Berechnungen. Mangels konkreter Zahlen muss man sich auf Äußerungen des CEO berufen und die müssen nicht immer stimmen (man überlege an die Äußerungen deutscher CEO über den Start des Flughavens BER oder den Umfang des VW-Skandals).

    Allerdings hat derselbe CEO auch gesagt, dass die Wiederverwendung die Rakete um den Faktor 100 billiger macht, das bedeutet angesichts alleine 140 t Kerosin und 260 t LOX das bei gängigen Preisen für diese Rohstoffe die Rakete fast nichts kostet.

  10. Wobei ich mir nicht sicher bin ob beim Faktor 100 nicht „Wiederverwertung 1.0“ (um Xer Termini zu verwenden) gemeint war, welche schon vor Jahren zu den Akten gelegt worden ist. Also das was vor der kontrollierten Landung geplant war…

    Na ja, Musk Marketing eben…

    Trotzdem ist deine Schätzung interessant.

  11. Den Hauptunterschied Luft- zu Raumfahrt hat noch keiner thematisiert. Das Geschaeftsmodell Luftfahrt basiert darauf, Personen und Fracht schnell und guenstig von A nach B (im Falle der Personen auch wieder zurueck) zu bringen. Das funktioniert sehr gut, Konkurenz ist hier Bahn und Schiff, beides lahm und ziemlich teuer.
    Das Geschaeftsmodell Raumfahrt basiert darauf, in erster Linie Fracht in den Orbit zu befoerdern. Konkurenz gibts keine, Preis also Nebensache. Und Personen im Sinne von zahlende Kundschaft? Dieses von A nach B und retour gibt es ja nicht. Diese Leute wuerden fliegen um des Erlebnisses willen. Das waere sowas wie Urlaub im Flugzeug, macht ja auch kaum einer… Dafuer gibt es praktisch keinen Markt, ausser einer Handvoll Millionaere, die vor lauter Langeweile nicht wissen was mit der Kohle anstellen.
    Tja, und ohne sinnvolles Angebot (3 Runden um die Erde drehen ist nicht sinnvoll, der Geschaeftstermin in New York hingegen schon) wird das auch nie was werden…

    Chris

  12. SpaceX hat ihre Triebwerke bisher nur für die drei- bis vierfache Einsatz-Brenndauer getestet. Längere Tests wären Unfug gewesen, weil sie trotz hoher Kosten keine oder allenfalls marginal höhere Einsatzsicherheit gebracht hätten.

    Mit der nun erstmals geglückten Landung ändert sich nun aber schlagartig die Bedeutung von Langzeittests. Musk wird die gelandete Stufe genau deswegen nicht zurück in den Weltraum schicken, sondern erstmal auf den Teststand: Wie gut übersteht die Stufe nach einem realen Erstflug einen simulierten Zweit- und Drittflug?

    Wenn dann die ersten realen Zweit- und Drittflüge stattgefunden haben, wird SpaceX natürlich alles daran setzen, die Zahl der Flüge pro Stufe drastisch zu steigern, genauso, wie sie bisher alles daran gesetzt haben, überhaupt erstmal sicher zu landen. So könnte die Zahl der Einsätze pro Stufe von Anfangs zwei bis drei mittelfristig auf 20 bis 30 steigen. Sicher wird eine Stufe, die einige Dutzend Male starten kann, am Ende doppelt so teuer sein wie eine Stufe, die nur einige wenige Flüge durchsteht. Pro Start ist die höherwertige Stufe dann dennoch günstiger.

    Nächster Schritt ist dann die Wiederverwendung der Oberstufe. Rechnet man mit 2 Tonnen Zusatzmasse für Hitzeschutzschild und Treibstoff für das Bremsmanöver, dann wird klar, dass sich die Oberstufen-Wiederverwendung nur bei LEO-Missionen lohnt, bei denen die Falcon 9 eine Nutzlastkapazität von über 10 Tonnen hat. Freilich ist LEO, wo künftig die Musik spielt:

    * Versorgungsflüge zur ISS
    * All-Electric-Tk-Satelliten (die sich dann selber in den GEO hochspiralen)
    * Satelliten-Konstellationen für Breitband-Internet
    * Astronauten zur ISS
    * Zahlende Passagiere in den „echten“ Weltraum

    Bei 30-facher Wiederverwendung der Unterstufe und je 15-facher Wiederverwendung von Oberstufe und Dragon hat SpaceX auf 30 Touristen-Flüge folgende Kosten:

    * Unterstufe 66 Mio. $ (doppelter Preis von Bernd, da haltbarer)
    * Oberstufe 2 x 22 Mio. $ (ebenfalls höherer Preis wegen Hitzeschild usw.)
    * Dragon 2 x 10 Mio. $
    * Treibstoff, Vorbereitung und Durchführung der Starts 30 x 1 Mio. $

    Die Summe sind also 160 Mio. $. Dafür kann man 30 x 6 = 180 zahlende Passagiere für 12 oder max. 24 Stunden in den Weltraum schicken. Länger halten die es in der engen Dragon sicher nicht aus 😉 Erzielt man 1,5 Mio. $ pro Ticket, sind das 270 Mio. $ Umsatz bei 160 Mio. $ Kosten.

    Zum Vergleich: Virgin Galactic wollen wohl, wenn sie denn mal das SpaceShipTwo fertig entwickelt haben, 250.000 $ für einen wenige Minuten langen „Hüpfer“ in 100 km Höhe verlangen. Dazu im Vergleich sind 1,5 Mio. $ für zahlreiche Stunden „echten“ Weltraumflug mit SpaceX doch geradezu ein Sonderangebot.

  13. @Chris: Da die meisten Personenflüge zur ISS gehen und die meisten Weltraumflüge sowieso Frachtflüge sind, kann ich diese Aussage nicht ganz nachvollziehen.

    @ Kai Petzke: Das grundsätzliche Problem ist, dass diese Berechnungen auf grob angenommenen Zahlen beruhen und damit eine Gneauigkeit vortäuschen, die in der Realität nicht existiert. Worauf stützt sich z. B. deine Vermutung von der 30fachen Wiederverwendung?

  14. @Aaron
    Die Fluege zur ISS sind mit allem, was in der Luftfahrt ablaeuft, generell nicht zu vergleichen, da vollstaendig im Dienste der Wissenschaft und steuerfinanziert.

    Mir (und ich denke auch Bernd) ging es eher um eine wie auch immer geartete Kommerzialisierung, um ueberhaupt auch nur annaehernd vergleichbar mit der Luftfahrtindustrie zu sein.

    Chris

  15. 30-malige Verwendung ist bei einem selbst im Verhältnis zu anderen Wegwerftriebwerken recht wenig getesteten Triebwerk reine Traumtänzerei. Das hat man noch nicht mal mit den extra für Wiederverwendung entwickelten Spacs Shuttle-Triebwerken geschafft. In der Praxis muß man eher froh sein, wenn eine dreimalige Verwendung klappt.
    Noch ein Fakt: Jeder Start bedeutet Verschleiß, damit erhöht sich mit jedem Start das Ausfallrisiko. Das wissen natürlich auch die Versicherungen, und steigern bei Starts mit wiederverwendeten Stufen die Preise. Warten wir doch einfach ab, was dabei rauskommt.

  16. Leicht offtopic:

    In einem bestimmten Forum geht aktuell die Diskussion Pro/Contra SpaceX wieder heiß her. Seit der geglückten Landung werden so gar Worte wie die „Niederlage der Leitenberger Fraktion“ benutzt.

  17. @ Elendsoft: Dafür hat das SSME im Vergleich zum Merlin 1D aber auch Hauptstromverfahren und einen beinahe fünfmal so hohen Druck. Ein shuttle muss einfach viel zu viel tote Masse mitnehmen. Deswegen kann sich SpaceX Triebwerke mit einem schwächeren spezifischen Impuls leisten, die evtl. wesntlich länger durchhalten.

  18. Bleiben wir doch mal bei der Realität: Von den Merlins sind schon welche beim ersten Flug ausgefallen, von den SSME auch bei mehrmaligem Einsatz kein einziges. Was wird da wohl länger halten?

  19. @ Elendsoft: Dabei handelte es sich um die Version Merlin 1C. Das alngfristige Standvermögen kann potentiell bei der Flacon 9 sehr viel besser sein.

  20. Korrektur: Beim Jungfernflug der Falcon 9 v 1.1 (Cassiope) klappte die Wiederzündung der zweiten Stufe nicht. Wenn man so unterscheidet dann stehen die SSME auch makellos da, denn hier kann man auch mehrere Generationen unterscheiden und der Ausfall gehört zu den Phase I Triebwerken die nur bis 1986 eingesetzt wurden.

  21. Das langfristige Stehvermögen kann bei der aktuellen Version besser sein, oder auch schlechter. Um das wirklich beurteilen zu können, braucht man Fakten. Die gibt es aber noch nicht, nur durch Starts sind die zu bekommen. Intensive Bodentests wären auch eine Basis, um Vergleiche ziehen zu können. Aber die vermeidet Spacex ja vorsichtshalber.

  22. Das war der Erstversuch, der auch an technischen Schwierigkeiten gelegen haben kann. Das SSME hingegen bewegt sich hart an den physikalischen Grenzen des Materials.

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