Das Nachtanken von Treibstoff – nochmal

Ich habe das Thema schon vor Jahren mal behandelt, aber das Schöne an einem Blog ist ja, dass Artikel nach hinten rutschen, während das in der Website bei der hierarchischen Struktur kaum vorkommt. So kann man ein und dasselbe Thema andauernd wieder aufkochen.

Ich will die Herausforderungen beim Betanken von Raumfahrzeugen grundsätzlich beleuchten. Da denkt heute natürlich jeder an die Starship-Betankung, die notwendig ist, damit dieses überhaupt nur einen höheren Orbit erreicht oder sogar die Fluchtgeschwindigkeit erreichen kann. Aber auch Blue Origin muss ihren Mondlander Blue Moon auftanken, er ist zu schwer, um ihn voll betankt aus einem Erdorbit zu starten. Nicht zuletzt wird das Betanken von Raumfahrzeugen seit Jahrzehnten bei Mir und der ISS umgesetzt.

Das Prinzip

Das Prinzip hinter dem betanken ist ein Flüssigkeitstransfer und das wird ja auch auf der Erde praktiziert. Auf der Erde, wo die Gravitationskraft wirkt, hat jedes Flüssigkeitsreservoir einen hydrostatischen Druck – 10 m Wassersäule entsprechen einem Druck von 1 Bar. Will man gegen diesen Druck Wasser umpumpen, so muss der Druck dafür höher sein als der hydrostatische Druck. Verbindet man z.B. zwei Gefäße mit unterschiedlicher Füllhöhe, so wird aus einem Gefäß solange Wasser in das andere fließen, bis sich beide Pegel angeglichen haben. Will man aber ein Gefäß vollständig entleeren, so muss der Druck höher sein, als der maximal hydrostatische Druck auf dem Zielgefäß sein. Das kann dadurch geschehen, das man den Druck in der Luftsäule über dem Wasser erhöht oder man kann es aktiv umpumpen. Eine Pumpe saugt an einer stelle eine Flüssigkeit durch einen Unterdruck an, beschleunigt die Flüssigkeit und entlässt sie mit hoher Geschwindigkeit, was schlussendlich einer Kraft entspricht, denn auch der Druck ist eine Kraft – die Einheit für den Druck, Pascal hat die Dimension Newton/Quadratmeter.

Diese beiden Prinzipien: eine Druckdifferenz und eine aktive Förderung von Pumpen finden sich auch in der Raumfahrt. Man muss also das Rad nicht neu erfinden.

Die Problematik der Schwerelosigkeit

Was alles auf der Erde vereinfacht, ist das durch die Schwerkraft Flüssigkeiten sich am tiefsten Niveau eines Gefäßes sammeln. Man muss dort nur den Auslass platzieren, um sie abzusaugen oder durch Druck zu transferieren. In der Schwerelosigkeit ist das nicht der Fall. Flüssigkeiten lösen sich von den Wänden und werden, wenn genügend Zeit vorhanden ist, sich zu einer großen Kugel formen, weil diese die geringste Oberfläche aller geometrischen Körper hat. Das ergibt sich durch die Oberflächenspannung, die jede Flüssigkeit an der Oberfläche hat. Das Prinzip des Flüssigkeitstransfers funktioniert immer noch, aber es ist ja nicht damit gedient, wenn durch nur das Gas zwischen der Kugel und dem Abfluss transferiert wird. Bei Pumpen, die bei konstanter Kraft schneller rotieren, wenn sie Gas anstatt Flüssigkeit transportieren, kann dies sogar zur Beschädigung der Pumpe führen.

Schauen wir uns also an, wie man dies bisher gelöst hat. Denn schon bevor man Treibstoff zwischen zwei Raumfahrzeugen transferierte, musste man Treibstoff fördern, nachdem man schon einen Orbit erreicht hat, nämlich für die Wiederzündung von Triebwerken. Sei es zur Bahnveränderung aber auch Lageänderungen.

Oberstufen, die ein Triebwerk mit einer Turbopumpe haben, also eine Pumpenförderung, verwenden einen einfachen Trick: An den Tanks befinden sich an den Treibstoffauslässen sogenannte „Sümpfe“ – das sind kleine Vertiefungen, deren Oberfläche besonders behandelt ist. Dort wird eine kleine Treibstoffmenge adhäsiv, durch die Kräfte zwischen der Oberfläche und dem Treibstoff gebunden. Startet nun das Triebwerk, so saugt es zuerst diese kleine Treibstoffmenge an, es erzeugt einen kleinen Schub, der reicht aber aus, um den restlichen Treibstoff zu sammeln und solange es arbeitet, ist der Treibstoff dann durch die Beschleunigung an dem Auslas.

Für kleinere Satellitentriebwerke, aber auch Lagerregelungstriebwerke hat man ein anderes Verfahren implementiert, denn diese Antriebe sind alle druckgefördert. Es gibt also keine Pumpe, die den Treibstoff fördert. Hier zieht man in den Treibstofftank eine Blase ein, die den Treibstoff vom Gas trennt. Diese Blase besteht aus einem dehnbaren Material wie Gummi. Schon beim Start ist der Tank nicht voll gefüllt. Im nicht gefüllten Teil befindet sich Gas unter Druck. Dieses sorgt für den Tankdruck. Es dehnt sich die Blase, solange bis der Treibstoff die Wand berührt, es keinen Zwischenraum mehr im Treibstoffteil gibt. Strömt Treibstoff zu den Triebwerken so wird die Blase immer weiter gedehnt bis schließlich der gesamte Treibstoff aus dem Tank herausgedrückt wird.

Das Gas kann man nachliefern, das geschieht so bei druckgeförderten Oberstufen, wobei man eine separate Gasflasche, meist mit Helium gefüllt, nutzen. Man kann aber auch einfach den Tank anfangs nur zu 2/3 füllen und das restliche Drittel mit Gas. Der Druck wird dann auf ein Drittel absinken, wenn der Tank komplett entleert ist. So geht man bei Satellitenantrieben vor.

Die Betankung der ISS

Dieses Grundprinzip wird nun beim Betanken der ISS und vorher schon bei der Mir angewandt. Beide Stationen haben ein Logistikmodul, bei der ISS Sarja benannt. In ihm befinden sich die Triebwerke für Bahnänderungen der Station und unter der Außenhülle auch Tanks. Alle Koppeladapter, die zwischen den russischen Modulen vermitteln, haben in der Außenseite Leitungen um Strom, aber eben auch Treibstoff zu transferieren. Die Leitungen laufen durch die Module. Bei der ISS docken die Transporter am Swesda-Modul an, das wiederum an Sarja angekoppelt ist. Die 16 Tanks in Sarja können insgesamt 6.100 kg Treibstoff aufnehmen.

Dockt nun ein Treibstofftransporter, wie die Progress oder ein ATV an, so kann dieser Treibstoff über diese Leitungen in die 16 Tanks transferieren. Ventile steuern, wohin der Fluss geht oder ob es einen gibt. Diese Transporter haben den Treibstoff wie oben beschrieben in Tanks mit einer Gummiblase als Trennmedium zwischen Gas- und Flüssigkeitsteil. Für den Transfer wird der Druck in dem Zieltank in Sarja abgesenkt, er wird entlüftet. Öffnet man die Ventile, so drückt das Restgas in den Tanks der Transporter den Treibstoff in die Leitungen und über diese fließt er in den Zieltank. Ist der Tankinhalt vollständig transferiert, so werden einfach die Ventile geschlossen und der Zieltank kann wieder unter Druck gesetzt werden.

Dieses System funktioniert. Es ist sehr einfach und es gibt wenige Störungsmöglichkeiten. Aber man bauscht eine ziemliche Infrastruktur: die Koppeladapter mit Treibstoffanschlüssen, die Tanks in den Transportern und Sarja selbst müssen Drucktanks sein, die eine hohe Wanddicke haben, typisch sind diese für 25 Bar Prüfdruck ausgelegt. Dazu braucht man noch Druckgas, das auch etwas wiegt, alleine die Gasflaschen wiegen deutlich mehr als ihr Inhalt. So hat man schon frühzeitig versucht, Satelliten aufzutanken. 1984 fand bei der Space Shuttle Mission STS-41G ein Test des Orbital Refueling System (ORS) statt, mit dem die NASA 1990 den GRO Satelliten auftanken wollte.

Für diese Tests hatte die Challenger im Frachtraum das „Orbital Refueling System“ (ORS) Damit konnte bis zu 250 kg Hydrazin in einen Satelliten transferiert werden. Es gab in zwei Tanks etwa 32 kg Treibstoff, die bei den Tests hin und her gepumpt werden sollten. Die Astronauten installierten in einer EVA eine flexible Betankungsleitung um deren Anbringung an einem Satelliten zu simulieren. Dazu mussten Sie ein Kugelventil in dem simulierten Satellitenteil einbauen. Zum Ende ihrer Arbeiten führten die Astronauten noch einen Drucktest durch. Aus Sicherheitsgründen wurde der Treibstofftransfer erst nach dem Ende der EVA vorgenommen werden. Mehrmals wurde Treibstoff umgepumpt. Leider fand ich nichts über die Methodik, also ob eine Pumpen- oder eine Druckförderung genutzt wurde, das hin und herpumpen spricht aber eher für eine Pumpenförderung.

De Fakto denke ich, kann man, wenn man die Technologie der Tankflüge nutzt, also einen speziellen Tanker konstruiert auf der Erfahrung aufbauen, die man bisher bei der ISS gewonnen hat. Allerdings sind diese Raumfahrzeuge durch die Koppeladapter miteinander fest verbunden, was von Vorteil ist, wenn durch die strömende Flüssigkeit, die ja einen Impuls überträgt, sie sich bewegen, wenn sie nicht fest verbunden sind und zwar in entgegengesetzte Richtungen. So denke ich könnte Blue Origin beim Auftanken des Mondlanders vorgehen, aber man weiß es eben nicht genau, wie es erfolgen wird. Der Nachteil der Methode ist, dass man zum einen dafür ein eigens Räumfahrzeug braucht, nicht den Treibstoff aus einer Stufe nutzen kann und die Drucktanks haben eine hohe Leermasse. Das Ganze ist also ziemlich kostspielig.

Wie dies bei SpaceX verläuft, kann man nur spekulieren. Die vorliegenden Abbildungen zeigen zwei miteinander verbundene Starships, die zwei Walen beim Geschlechtsverkehr ähneln. Bisher hat SpaceX bei ITF-3 einen Treibstofftransfer von dem Haupttank in den Headertank durchgeführt. Das war eine von der NASA bezahlte Demonstration. Der Treibstoff im Headertank wird für die Landung benötigt. Wie dies geschah, bleibt SpaceX Geheimnis. Das Spekulieren überlasse ich den SpaceX-Fans.

Was aber klar ist, ist das es von diesem Schritt bis zum Auftanken des Lunar Starships noch ein weiter Weg ist. Denn die Demonstration erfolgte innerhalb des Starships, man kann hier Leitungen verlegen. Beim Transfer zwischen zwei Starships ist das deutlich aufwendiger. Zuerst muss man eine Verbindung herstellen und die muss man dann auch dauerhaft aufrechterhalten, auch wenn sich die Schiffe bewegen. Daneben muss man den Treibstoff quantitativ übertragen, in der Demonstration wurde nur ein Viertel des Resttreibstoffs übertragen. Ich nehme aber an, dass man eine aktive Pumpenförderung nutzt. Sonst müsste man viel Druckgas mitführen, das bei dieser Tankgröße etliche Tonnen wiegen dürfte.

Der Transfer wird erleichtert, wenn man zumindest sicher ist, das sich der Treibstoff an dem Pumpeneintritt sammelt. In meinem früheren Artikel meinte ich daher, es wäre nicht dumm während des Transfers mit Triebwerken eine kleine Beschleunigung zu erzeugen. Sie muss ja nicht groß sein: 0,1 m/s reichen aus, um in wenigen Sekunden den Treibstoff am Boden zu sammeln, kann man den Transfer dann schnell durchführen um den Treibstoffverbrauch für das Triebwerk zu senken. Die Turbopumpe eines Raptors kann rund 700 kg Treibstoff pro Sekunde mit 300 Bar transferieren, bei geringerem Druck sicher mehr. So ist der Treibstoffaufwand für dieses Manöver relativ klein und zudem kann man so auch die natürliche Abbremsung des Raumfahrzeugs im niedrigen Orbit kompensieren. Und so hat SpaceX – sie übernehmen meine Ideen ja immer erst nach Jahren – nach ITF-3 angekündigt – fünf Jahre nach mir – dass sie den Treibstofftransfer durch ein neu zu entwickelndes Triebwerk unterstützen wollen. Die Raptors sind dafür zu schubstark.

Logistik

Ein Problem bleibt noch: Methan und flüssiger Sauerstoff haben Temperaturen von -161 und -183 Grad Celsius. Selbst eine spiegelnde Metalloberfläche nimmt viel Wärme auf: Im Weltall strahlt die Sonne mit 1.355 W/m². So heizt es sich zumindest auf der Tagseite des Orbits auf, auf der Nachtseite kühlt das Starship ab, aber nicht so stark wie gewünscht, denn die Erde sendet auch Infrarotstrahlung aus. Die geringere Energie wird durch die viel größere Erdoberfläche, die in einem nahen Orbit fast den halben Himmel bedeckt, wieder zum Teil ausgeglichen. Man wird, wenn wir nicht von einem, sondern vielen Tankflügen reden, entweder eine hohe Startrate erreichen. Oder man wird dafür sorgen müssen, dass die Verdampfungsverluste gering sind. Dafür gibt es einige Möglichkeiten:

• Die optimale Möglichkeit ist eine Dewar-Flasche, eine doppelwandige Flasche mit einem Vakuum zwischen den Wänden, die zudem verspiegelt sind. Infrarotsatelliten wie IRAS oder ISO können so das Verdampfen des ultrakalten Heliums in dem die Optik eingebettet ist, über Monate zu verhindern.
• Man kann die Tanks gut isolieren. Bei der Saturn IB Centaur war für Mondmissionen eine „Superisolation“ geplant, welche auch den flüssigen Wasserstoff, der bei -253 Grad Celsius verdampft, über die Dauer einer Mondmission (etwa zwei Wochen) flüssig gehalten hätte. Sie hätte aber das Gewicht der stufe um 50 Prozent erhöht und mehr gewogen als die bisherigen Tanks.
• Man kann das Gas wieder rückverflüssigen. Das Prinzip: Man fängt das Gas auf, komprimiert es, wobei es in den flüssigen Zustand übergeht. Die dabei entstehende Wärme muss man durch einen Radiator abstrahlen. Natürlich braucht man dazu eine Energiequelle. Es ist aber sicher die optimale Lösung, wenn sie unter den Umständen (Volumen, Stromversorgung) umsetzbar ist.
• Man kann die Tanks vor Wärme schützen. Das ist im Weltraum die optimale Lösung. Man spannt einen Sonnenschutzschirm auf. Er fängt die direkte Sonnenstrahlung auf und das Vakuum des Weltraums isoliert zwischen ihm und der Stufe. So kann das James Webb Teleskop sein Teleskop auf -223 Grad Celsius rein passiv abkühlen, Teleinstrumente werden aktiv sogar auf nur 6 K also – 267 Grad Celsius gekühlt und das ohne verdampfendes Kühlmittel. Daneben ist diese Lösung die wahrscheinlich leichteste, denn ein solcher Schutzschirm muss nicht massiv sein, eine Folie reicht aus.

Was SpaceX einsetzen wird, ist offen, zumindest die Abbildungen zeigen nichts davon. Vielleicht setzen sie auch nichts davon ein und setzen auf eine hohe Startrate, die sie aber nach ihren eigenen Anträgen für Baumaßnahmen in den nächsten Jahren nicht erreichen werden. Isolierte Tanks würden das Aussehen des Tankers verändern. Die Oberfläche wäre dann nicht mehr metallisch glänzend. Eine Rückverflüssigung benötigt eine Stromquelle wie Solarpaneele und einen Radiator. Nichts davon findet man bei Abbildungen der NASA und SpaceX. Das Gleiche gilt für den Sonnenschutzschild. Der wäre auch ein Hindernis bei der Landung, denn er muss größer als das Starship selbst sein. Er könnte aber natürlich vorher abgetrennt werden. Übrige bleiben nur doppelwandige Tanks, wobei es das Problem gäbe, dass der innere Tank druckstabilisiert ist und der äußere Tank nicht, im Gegenteil er ist durch ein Vakuum getrennt und müsste daher dickwandiger als die bestehenden Tanks sein, was sich nicht positiv auf den benötigten Treibstoffbedarf auswirkt.

Ich denke SpaceX setzt zum einen auf eine Oberfläche mit hohem Reflexionsgrad. Würde man sie verspiegeln oder verchromen, so wäre eine Reflektion von über 90 Prozent des einfallenden Lichts und damit der übertragenen Energie möglich. Das zweite ist das Verwenden von unterkühlten Flüssigkeiten. Der Begriff ist etwas verwirrend. Normal bei verflüssigten Gasen ist das diese eine Temperatur kurz unter dem Siedepunkt haben, also nur wenig Energieaufnahme ausreicht, das ein Teil der Flüssigkeit verdampft. „Unterkühlte“ Flüssigkeiten sind nun einfach welche die noch einige Grad kühler sind. Die Falcon 9 setzt solche schon ein, weil ihre Dichte höher ist. Damit hat man aber ein Reservoir an Energie, die der Treibstoff aufnehmen kann, ohne zu verdampfen. Aber das ist nur eine Spekulation von mir, wenngleich die einzige, die zu den Abbildungen passt, die aber natürlich auch nicht stimmen müssen.

Es wird interessant sein, wie SpaceX dies durchführt und ob es klappt, also vor allem am Anfang nicht zu viel Treibstoff zwischen zwei Auftankflügen verdampft. Die NASA spricht von drei Raumfahrzeugen: dem Human Landing System, einem Treibstoffdepot und einem Tanker, wohl ein umgebautes Starship. Eines ist sicher: schon bei den optimistischen Annahmen von SpaceX für die Nutzlast des Starships sind nach NASA-Angaben 10 bis 20 (wörtlich: „liegt im Zehnerbereich“) Flüge nötig. Elon Musk meinte es wären 8, die er auf 4 drücken würde. Ich hätte gegen ihn wetten sollen, denn ich berechnete schon vor fünf Jahren mit 11 Starts eine Zahl, die näher an der NASA-Angabe liegt.