ATV Reloaded

In diesem Artikel will ich (zum wiederholten Male, wer sucht, findet ähnliche Artikel im Blog) über die Möglichkeiten des ATV referieren. Ursprünglich sollte die ISS bis 2016 betrieben werden. Darauf hatte man sich geeignet, als 2005 das Vorgehen für die bemannte Raumfahrt nach dem Ausmusterungsbeschluss der Space Shuttles fiel. Der Hintergrund war, dass damals ja noch das Constellation-Programm aktiv war und damit eine Rückkehr zum Mond. Die Mittel sollten auch dadurch gewonnen werden, indem die USA Space Shuttle und ISS aufgaben. Vertragsbedingt mussten die USA die Station 10 Jahre lang betreiben, nachdem die Labore aus Japan und Europa installiert wurden.

Europa passte die Bestellungen der ATV, die schon entwickelt wurden, diesem Zeitplan an. Man orderte fünf Transporter. Vier brauchte man um die vertraglich vereinbarte Fracht für diese 10 Jahre Betrieb zu transportieren, sie transportierten 19 t für die NASA zur ISS, dazu eigene Fracht für Columbus. Der fünfte Transporter wurde, als der Betrieb bis 2020 verlängert wurde, dann ebenfalls als Kompensation für die Jahre 2017/18 gestellt. Für die Kompensation der Unterhaltskosten der folgenden Jahre entwickelt die ESA das Servicemodul für die Orion und stellt zwei Exemplare.

Nun ist der Betrieb der ISS seitens NASA,Kanada und Russland bis 2028 beschlossen. Japan hat bis 2024 verlängert, die ESA als letzter Partner dann auch bis 2024. Dann muss Europa aber auch die Betriebskosten mittragen. Das sind nach NASA Angaben 807 Millionen Euro für die Jahre 2021-2024. Dazu kommen 153 Millionen für wissenschaftliche Projekte. Bisher lief dies wie bei allen Partnern als Kompensationsgeschäft: man erbrachte Leistungen, wie eben den Transport von Fracht. Zeit über die Optionen nachzudenken. Darum geht es in diesem Aufsatz.

Zuvor aber zwei persönliche Einschübe. Ich halte das ATV für die beste Möglichkeit Fracht zur ISS zu befördern, darum dreht es sich in diesem Aufsatz. Doch mein Verhältnis zum ATV ist ambivalent. Das Buch über das ATV war mein erstes richtiges Raumfahrtbuch, nachdem ich vorher nur eine kleine Broschüre über Gemini geschrieben habe. Ich fand das Projekt damals technisch ambitioniert und ein gutes Beispiel, was Europa leisten kann. Wenn man dann allerdings es mit den staatlichen Stellen zu tun hat, die das Projekt betreuen, dann bekommt man von hochrangiger Stelle (damaliger ATV Projektleiter, heute sogar Leiter der Abteilung bemannte Raumfahrt beim DLR und DLR-Pressesprecher) die Rückmeldung, dass ein solches Buch nicht gewünscht ist, wenn man trotzdem um eine Rezension bietet, bekommt man einen Verriss, übrigens von demselben Rezensenten, der Bücher eines Plagiators die nur meine Webseite abgeschrieben haben, in höchsten Tönen lobt. Bitte kaufen sie also unten stehendes schlechtes Werk auf keinen Fall, außer sie wollen selbst ein Buch über das ATV schreiben.

Das Zweite was mir beim ATV übel aufstößt, ist ein Dauerthema bei den Deutsch-Amerikanischen Beziehungen. Wann immer wir Projekte mit der NASA abgeschlossen haben, war es so, dass sie unfair waren, das heißt rechnet man den Aufwand auf europäischer und amerikanischer Seite auf und vergleicht diese mit Verabredungen über Leistungen oder Ansprüche, so fällt auf, das Europa immer den kürzeren zieht. Man kann die Fracht durch die bekannte ISS-Beteilligung teilen und kommt auf einen Kilogrammpreis der kleiner ist als den wo die NASA an SpaceX, den damals günstigeren US-Anbieter zahlt.

Nun müsste die ESA also für 4 Jahre 807 Millionen Euro an die NASA zahlen oder andere Kompensationen leisten. Wenn man von einer Verlängerung bis 2028 ausgeht, ist es sogar mindestens die doppelte Summe. Nimmt man an, das die ESA nicht mehr Fracht transportieren muss, als die NASA selbst für diese Summe bei CRS-2 starten kann, so kann man die CRS-2 Aufträge als Berechnungsbasis nehmen. Sie sehen durchschnittliche Missionskosten von 300,6 Millionen Dollar bei durchschnittlich 4.178 kg Nutzlast pro Mission vor. Die NASA rechnet bei den ersten acht Missionen die mit 2,6 Milliarden Dollar bezahlt wurden, sogar nur mit 3.754 kg pro Mission. Das sind 86.500 (erste acht Missionen) bzw. 72.000 Dollar/kg (über das gesamte Programm). Das nutze ich, um die Zahl der Flüge zu berechnen.

ATV 1.1

Die einfachste Möglichkeit und zugleich unwahrscheinlichste ist es, das ATV weiter einzusetzen. Allerdings würde ich es nicht unverändert einsetzen. Das ATV ist eine eierlegende Wollmilchsau. Es kann einfach alles transportieren: Fracht im Druckmodul, Wasser, Gase, Refülltreibstoff, Reboosttreibstoff. Lediglich Fracht ohne Druckausgleich geht nicht, doch zum einen gibt es dafür zwei Systeme und zum anderen war auch das Mal für das ATV vorgesehen, mann würde dann einfach den Druckbehälter durch eine Palette mit Dockingadapter ersetzen.

Trotzdem würde ich etwas verändern: Für Wasser und Gas gibt es auch Alternativen. Wenn es regelmäßige Besuche durch das ATV gibt braucht man auch keinen Refülltreibstoff. Der mitgeführte Treibstoff (Reboosttreibstoff) ist mehr als ausreichend, um die Station anzuheben und davon hat der Transporter die fünffache Menge an Bord. Die Systeme für beide Teile befinden sich hinter einer Trennwand im Druckbehälter. Entfernt man diese Systeme, so gewinnt man zum einen Raum, den man für mehr Fracht im Druckmodul auch braucht und zum andern spart man Gewicht ein. Der Druckbehälter wiegt leer 3,7 t, doch mit Kopplungsadapter, der Ausrüstung für Wasser, Gase und Refülltreibstoff sind es 5,15 t. Der Kopplungsadapter macht davon den kleinsten Teil aus. Man könnte mindestens 1 t Masse einsparen, wenn man diese Systeme entfernt. Im ürbigen wäre die NASA auch an einem ATV interessiert. Die ersten ATV hoben die station von 340 in 425 km Höhe. Seitdem sinkt sie, auch wenn Progress das etwas bremsen. Wenn nun die Sonne wieder aktiver wird, wird das Abbremsen stärker werden. Da ist ein Transporter, wie das ATV der die Station um gleich 40 km anheben kann, sehr willkommen.

Daneben profitiert das ATV von einer leistungsfähigeren Ariane. Wenn es starten sollte (ab 2021) ist die Ariane 6 einsatzbereit. Sie soll mindestens 12 t in den GTO transportieren, genauso viel sollte 2009 die Ariane 5 ME transportieren, mit ihr hätte man einen 23 t schweren Transporter starten können. Also ist auch diese Nutzlast für die Ariane 6 anzusetzen. Das sind 2,25 t mehr als die Nutzlast der Ariane 5 ESV. Davon bleiben etwa 2 t übrig, wenn man den höheren Treibstoffverbrauch für den schwereren Transporter berücksichtigt. Da bisher die ATV die Maximalnutzlast auch nie ausnutzten, kann man von realistisch 9 t Fracht pro Mission ausgehen. Für 8 Jahre ISS-Betrieb, 1.614 Millionen Euro Betriebskosten (oder 1706 Millionen Dollar) wären das nach CRS-2 Kostenvorgabe 23,7 bzw. 19,7 t Fracht. Drei Transporter mit je 9 t Fracht würden also reichen diese Vorgabe zu erfüllen und lassen noch Fracht für das eigene Labor übrig oder man tritt die an die NASA ab und hat mehr Astronautenzeit sprich es gibt öfters einen europäischen Astronauten an Bord (derzeit 1 Astronaut pro Jahr bei 12 Astronauten insgesamt pro Jahr). Wenn man dieselben Kosten wie die letzten Transporter ansetzt, (wahrscheinlich wird es nicht billiger – die Ariane 6 wird zwar etwas billiger sein, doch die Neuqualifikation von neuer Hardware kostet auch Geld) so würden diese 1350 Millionen Euro kosten. (Mithin billiger als die NASA zu bezahlen).

Man müsste einiges verändern, so ist schon bekannt, das Elektronikbauteile nicht mehr produziert werden – die Konzeption des ATV geht zurück bis ins letzte Jahrtausend. Doch billiger als eine Neukonstruktion wird es in jedem Fall. Warum das dennoch das unwahrscheinlichste Szenario ist? Weil schon, als die ESA bekannt gab, das Sie keine weiteren ATV baut, sondern die Servicemodule für die Orion, der Verantwortliche bei der ESA sagte. Nur einen Transporter zu bauen, der schon entwickelt wäre, wäre nicht „herausfordernd genug“. Eine seltsame Einstellung vor allem, wenn es darum geht, die Versorgung zu sichern. Daimler entwickelt ja auch nicht einen Lastwagen und stellt den Bau nach einigen Prototypen wieder ein. Cygnus, HTV, Progress werden ja auch in Serien gebaut.

ATV optimiert

Eine zweite Lösung, die ich sehe, kann dieser Herausforderung (was neues entwickeln) her nahe kommen. Alle Transporter zur ISS, mit Ausnahme der Dragon und Dream Chaser sind Einmalgefährte. Damit versenkt man viel Geld, denn die Druckbehälter sind relativ preiswert. Der Druckbehälter für die Cygnus kostet 20 Millionen Euro. Dazu kämen beim ATV noch die Kopplungssysteme, die am Druckbehälter angebracht sind wie der Dockingadapter mit KURS-Radar, der auch etwa 20 Millionen Euro kostet und die anderen Sensoren. Trotzdem – ein ganzer ATV kostet rund 280 Millionen Euro. 2/3 bis ¾ der Kosten entfallen auf den Bus mit Avionik und Antrieben. Er wiegt auch 5 t trocken die jedes Mal mit gestartet werden und entsprechend die Frachtmenge reduzieren.

Meine Idee: Ein ATV kann bis zu 7 t Treibstoff mitführen, davon braucht er nur etwa 1,5 bis 1,8 t für die Mission. Der Rest steht für das Anheben der Station zur Verfügung. Wenn man den Treibstoff nicht ganz oder gar nicht braucht, kann man sich auch Folgendes denken:

• Ein ATV startet mit einem umgerüsteten Druckbehälter mit zwei Kopplungsadaptern. Er versorgt normal die ISS, danach deorbitiert er aber nur den leeren Druckbehälter und bringt sich selbst in eine stabile Umlaufbahn. Das kostet wenig Treibstoff, da er nur noch etwa 10 anstatt 20 t wiegt.
• Beim nächsten Start startet man nur einen verlängerten Druckbehälter mit zwei Kopplungsadaptern. Der Bus koppelt an, bringt die Fracht zur ISS und versorgt sie. Wieder wird er deorbitiert und nach erreichen der Abstiegsbahn der Bus abgekoppelt und in eine sichere Umlaufbahn gebracht,
• Das Spiel kann man wiederholen, wenn überhaupt kein Reboosttreibstoff benötigt wird, mindestens zweimal, eventuell dreimal wenn man sparsam mit dem Treibstoff umgeht.

Der wesentliche Vorteil:

Die Frachtmenge ist viel größer. Man kann als Vorlage die MPLM nehmen, der Druckbehälter des ATV ist nur ein verkürztes MPLM. Sie konnten pro Kilogramm Behältermasse 2 kg Nutzlast transportieren. Schlägt man noch die Masse der Kopplungssysteme hinzu, so sind es mindestens 14 t Fracht pro Ariane 64 Start – 5 t mehr als beim normalen ATV bei geringeren Kosten.

Der Druckbehälter ist selbst mit zwei Adaptern und doppelter Sensorausrüstung billiger als der Bus.

Man kann dies sogar noch erweitern, sodass man einen ATV-Bus praktisch ewig nutzen kann. Dazu führt man wieder im Druckbehälter Refülltreibstoff mit, diesmal aber wird er in den ATV-Bus transferiert. Die Menge müsste man erhöhen auf die Zuladung, die man für die Mission braucht. Das kostet dann pro Flug etwa 2-2,5 t Fracht. Die 12 t Fracht würden bei geschätzten 250 Millionen Euro für eine Mission trotzdem erheblich billiger sein als die ersten 4 t (Refülltreibstoff fällt ja weg) für 450 Millionen Euro. Bei drei Missionen pro Bus kommt man so auf Kosten von 950 Millionen Euro bei 32 t Fracht (Drei normale ATV: 1350 Millionen Euro für 27 t Fracht). Wenn man den Bus dauernd wiederverwendet, kommt man bei 300 Millionen Euro pro Mission auf Kosten von 300 Millionen Euro für 12 t Fracht + 450 Millionen Euro/Missionszahl. Ab vier ATV Missionen ist dies billiger. Allerdings transportiert ein ATV so viel Fracht das man wegen der kleinen ESA-Beteilligung sich das nicht wirtschaftlich lohnt und als Versorgungssystem darf man sich als Nicht-US-Unternehmen auch nicht an CRS bewerben. Das Konzept hätte man schon auflegen müssen, als die ersten ATV starteten.

ATV als Deorbitgefährt

Ein Problem, vor dem sich die NASA bisher erfolgreich gedrückt hat, ist es die ISS zu deorbitieren. Es gibt dazu zwei Probleme. Das eine ist die Masse der ISS, die ja sogar noch leicht durch weitere Adapter ansteigt und vielleicht kommt noch Nauka irgendwann. Es gibt keinen Transporter, auch das ATV nicht, der so viel Treibstoff hätte, die ISS sauber zu deorbitieren. Das Zweite ist der Schub. Mit Ausnahme der Progress haben alle Transporter Triebwerke mit wenigen Hundert Newton Schub. Als die ATV die Station anhoben, taten sie dies in mehreren Etappen, sie brauchen Stunden um nur den internen Treibstoffvorrat zu verbrauchen während der ganzen Zeit würde bei einem Deorbitieren die Bahnhöhe sinken und schnell in einen Bereich kommen, in dem die ATV die Ausrichtung der Station nicht mehr aufrechterhalten können, sei würde sich durch aerodynamische Kräfte drehen und man müsste das Deorbitieren abbrechen. In der Höhe verglüht sie dann bald, aber eben nicht da, wo man es haben will, sondern irgendwo, vielleicht auch über einem Ballungsraum wie Mexiko-Stadt oder Tokio.

Eine theoretische Möglichkeit gäbe es. Eine Orion müsste genügend Treibstoff haben und auch ein schubkräftiges Triebwerk. Da man eine automatische Kopplung sowieso anstrebt, bräuchte man keine Besatzung an Bord. Auch hier tickt de Uhr. Selbst eine Orion müsste 15 Minuten lang ihr Triebwerk zünden, um die ISS abzubremsen. Bei der Umlaufsdauer bleiben dann nur noch 20 Minuten, um abzukoppeln und sich selbst in sichere Höhe zu bringen, sodass dies riskant ist. Würde man die Orion „opfern“ also unbemannt starten wäre dies aber kein Problem. Neben den Kosten (Start mit der SLS) gibt es dann noch das Problem, das eine Orion nur am US-Segment ankoppeln kann, dann geht der Schubvektor aber nicht durch die Station. Die induzierte Rotation muss durch die Triebwerke kompensiert werden. Einfacher ist es die Orion umzurüsten und wie das ATV am russischen Segment anzudocken.

Meine Idee ist es, das ATV zum Deorbitgefährt umzurüsten. Ein ATV der heutigen Bauweise schafft das aber nicht. Wenn man die ISS auf 340 km Höhe sinken lässt, das war die niedrigste erlaubte Höhe im operationellen Betrieb und man das Perigäum auf 80 km absinken lässt (bei normalen ATV Missionen liegt es unter der Erdoberfläche, damit der Eintritt steil erfolgt und er schnell verglüht, doch das erfordert mehr Treibstoff), benötigt man bei einer mit angedocktem ATV 460 t schweren Station ohne Gravitationsverluste mit den Triebwerken des ATV 80 m/s Geschwindigkeitsänderung, bei Perigäum 0 km sogar 104 m/s. Das sind 12,8 bzw. 16,6 t Treibstoff. Ein ATV fasst maximal 7 t, von denen auch noch ein Teil abgeht, um die Station zu erreichen.

Mein Idee: Man verdoppelt zum einen die Treibstoffzuladung, indem man die Tankzahl verdoppelt. Die sitzen auf einem Kreisring, wie die Abbildung zeigt. Der Druckbehälter fällt zum Ausgleich weg. Wenn man die 730 l Tanks durch die größeren 769 l Tanks, die heute von Airbus gefertigt werden, ersetzt und eine zweite Reihe einsetzt, dann kommt man auf eine Treibstoffzuladung von 14.240 kg nominal und 17.740 kg maximal. Das reicht aus, um zumindest Szenario 1 (<80 km Deorbithöhe, entsprechend einem fachen Eintritt und langer Strecke über die sich die Trümmer verteilen) umzusetzen. Doch die Tanks alleine machen es nicht. Wie man an der Abbildung auch erkennt, ist in der Mitte viel Platz frei. In den sollte in einigen Erweiterungsszenarien ein Tunnel gebaut werden. Ich würde hier das Aestus Triebwerk einbauen. Es ist mit 28,7 kN Schub schubkräftig genug und könnte 13,5 t Treibstoff (wie schon gesagt man braucht etwas Treibstoff, um die Station überhaupt zu erreichen) nach einer Simulation von mir die ISS in 25 Minuten von einer 340 km Bahn in eine 45,3 x 314,1 km Bahn bringen. Will man einen noch steileren Eintritt, so müsste man vor dem Ankoppeln die Triebwerke von Sarja zünden, wobei man vorher die Treibstoffvorräte ergänzen müsste. Nach dem Ankoppeln geht das nicht mehr, dann ist das ATV im Weg, sodass dieses nicht den Treibstoff bringen könnte. Aus einer 290 km hohen Bahn könnte ein ATV die Bahn soweit absenken, dass man das Perigäum auf Meereshöhe absenken kann. Dafür bräuchte man weitere 5,6 t Treibstoff die zwei bis drei Progress zur Station bringen könnten. Doch schon das Perigäum von 45 km liegt niedrig genug.

Ich halte das für möglich, zumal das Triebwerk nur fest eingebaut werden muss. Im Prinzip kann die ESA auch auf Erfahrungen mit dem Bau des Servicemoduls für die Orion zurückgreifen, das ist vom Antriebssystem her nichts anderes. Wenn man dieses mit dem vorderen Teil des ATV mit den Kopplungssystemen kreuzt, hat man im Prinzip das Deorbitgefährt. Aus diesem Grund halte ich es auch für die wahrscheinlichste Möglichkeit der dire Szenarien das umgesetzt wird, denn wie schon gesagt. Die NASA selbst hat keine Lösung für das Problem.

Ein ATV-Bus wiegt ohne Treibstoffe 5,32 t. Dazu käme noch die Verdopplung des Antriebssystems, das leer 1,5 t wiegt und die Koppelhardware, die ich auf etwa 500 kg ansetze. Bei 14,24 t Treibstoffzuladung kommt man so auf eine Startmasse von 21,56 t, was leicht von einer Ariane 64 gewuppt werden kann. Würde man auf von Kugeltanks auf zylindrische Tanks übergehen, die Airbus auch im Angebot hat, könnte man die volle Startmasse nutzen und mehr Treibstoff mitführen und das Perigäum auf 15,9 km Höhe absenken.

Fazit

Meiner Ansicht nach hat das ATV Zukunft. Insbesondere sehe ich in ihm die einzige derzeit mit vertretbarem Kostenaufwand umsetzbare Alternative, die ISS zu deorbitieren. Schon 2007 wurde das ATV für diese Aufgabe vorgeschlagen. Allerdings damals noch in der Originalkonfiguration was zwei Flüge erforderlich macht und wegen des Ankoppelns und Abkoppelns und der langen Betriebszeit der Triebwerke und dadurch langsamen Absinken des Orbits nicht ganz risikolos.