Eine alternative Geschichte des Space Shuttles

Ich habe kürzlich einen Artikel über die ersten 24 Space Shuttle Missionen bis zur Challenger-Katastrophe geschrieben. Was diese Periode prägte, ist das es sehr viele Vorkommnisse gab. Von kleineren bis hin zu der Erosion der Dichtungsringe der SRB, die bei niedrigen Temperaturen schon vor dem Durchbrennen eines solchen Rings bei STS-51L stattfand.

Die damalige NASA hatte sich von der Apolloära deutlich gewandelt. Damals stand die Sicherheit der Besatzung im Vordergrund. Die enormen Summen die das Apolloprogramm kostete, flossen schlussendlich in Man-Power. Diese Man-Power konnte genutzt werden als bei Apollo 13 man innerhalb von Stunden einen Notfallplan benötigte. Heute müssen Astronauten die nicht mit ihrem Starliner zur Erde zurückkehren können, weil es Sicherheitsbedenken gibt, über 9 Monate an Bord der ISS auf eine Rückkehr warten. Wer mal einen Rückblick auf diese Ära haben möchte: ich habe auch kürzlich das Buch von Jim Lovell über Apollo 13 nochmals gelesen. Auf dem Buch basiert ja der gleichnamige Film mit Tom Hanks. Das Buch unterscheidet sich von anderen Astronautenbiographien dadurch das der Mitautor Jeffrey Kluger auch viel über die Arbeit in Mission Control und hinter den Kulissen schrieb.

Die NASA versprach ein Paradoxon: Das Space Shuttle sollte billiger als die vorhandenen Trägerraketen werden, und das, obwohl es bemannt war, was eigentlich die Kosten erhöhte. Heute ist man schlauer und versucht inzwischen bei Transporten so viel wie möglich ohne Menschen zu machen – mit Drohnen soll sogar der letzte Schritt, die Auslieferung unbemannt erfolgen. Die NASA gewann viele kommerzielle Aufträge für den Transport, dazu war es ein zentraler Baustein der militärischen Raumfahrt, es wurde eigens eine Startrampe dafür in Vandenberg errichtet. 41 Transporte waren nach dem Abschluss der Testflüge geplant. Um sie abzufertigen, steigerte die NASA die Startfrequenz laufend. 1985, im letzten Jahr vor der Katastrophe gab es neun Missionen – diese Zahl würde später nie wieder erreicht werden. Sie wurden zum größten Teil von nur zwei Orbitern durchgeführt – der Discovery und Challenger. Die Atlantis kam erst im Sommer 1985 zur Flotte und die Columbia wurde bis Ende 1985 umgerüstet. Die Columbia sollte im Dezember 1985 starten, aber ihr Start wurde mehrmals verschoben und fand so erst im Januar 1986 zwei Wochen vor der Challenger statt. Die Startverzögerungen bei dieser Mission waren denn auch ein Grund, warum die NASA so viel Druck auf Thiokol ausübte, den Start von STS-51L trotz tiefer Temperaturen freizugeben.

Die Challenger ging verloren, weil ein durch Kälte inelastischer Dichtungsring aus Gummi beim Druckaufbau nach der Zündung nicht in eine Vertiefung schlüpfte und so eine Lücke in der Verbindung zwischen zwei Segmenten nicht gasdicht verschlossen war. Die austretenden heißen Gase beschädigten nach 72 Sekunden den Tank der dann explodierte. Danach änderte die NASA ihre Politik: nun gab es gab gar keine Transporte mehr, die nicht durch Trägerraketen durchgeführt werden konnten und die Sicherheit hatte nun wie früher oberste Priorität. Zudem dürften die Hersteller der Trägerraketen diese nun selbst vermarken.

Als Folge sank die Startfrequenz. Es gab danach maximal acht Starts pro Jahr, obwohl man nun vier einsatzfähige Fähren hatte (für 1986 waren mit vier Fähren zwischen 12 und 16 Starts geplant) und die Kosten stiegen an. Die Startkosten des Space Shuttles wurden nun durch die Fixkosten geprägt. Nach jedem Start musste der Orbiter genaustens untersucht werden. Das dauerte Wochen bis Monate. Als die ISS aufgebaut werden sollte wurde die NASA vom US-Senat gefragt wie viel denn nun ein Start kosten würde und sie gab 83 Millionen Dollar an. Die Senatoren, die das angesichts der Finanzmittel die das Programm benötigte hakten nach und die NASA räumte ein, das diese 83 Millionen Dollar nur die Flugkosten waren. Legte man die Fixkosten auf die Anzahl der Starts um, so waren dies weitere 350 Millionen Dollar. Vor Programmeinstellung betrugen alleine die Kosten durch Verträge rund 200 Millionen Dollar pro Monat, das heißt, selbst wenn keine einzige Fähre startet, nichts repariert oder gewartet wurde kostete das Programm 2,4 Milliarden Dollar pro Jahr.

Ich will mal eine alternative Geschichte skizzieren. Diese beginnt nach der Challengerkatastrophe. Den Umbruch hätte man auch anders nutzen können. Natürlich hätte man die Starts ausgesetzt. Die Zeit vom Februar 1986 bis September 1988 wurde ja nicht nur für ein Neudesign der Dichtungen der SRB genutzt. Sie wurden auch genutzt, um die zahlreichen Mängel, die es in den Flügen bisher gab abzustellen, Systeme zu verbessern und in der Folge gab es viel weniger Vorkommnisse. Dies hätte man auch in meinem Konzept tun müssen. Das ist eigentlich das Normale, das man dies damals nicht tat, liegt daran, dass das Shuttle Jahre hinter den Planungen hinterherhinkte und die NASA meinte politische Forderungen erfüllen zu müssen. So wurden auch Nicht-Astronauten befördert wie saudische Prinzen, Senatoren (der kurz vor der Mission STS-51L ins All gestartete Senator Bill Nelson wurde später sogar NASA-Administrator) und Lehrer.

Meine Idee: man hätte mit dem Neubeginn der Starts mit STS-26 das Programm aufteilen können – in ein bemanntes und ein unbemanntes Programm. Das bemannte Programm würde so verlaufen wie es auch in der Realität danach war: Maximale Sicherheit für die Besatzung, die aber eine aufwendige Wartung nach jedem Flug erforderte und so die Startrate begrenzte. Das unbemannte Programm würde das Space Shuttle primär als Trägerrakete ansehen. Die Wartung wäre auf das nötige beschränkt. Es wäre möglich Performance-Upgrades zuerst unbemannt zu testen und erst dann bei einer bemannten Mission einzusetzen. Man kann bei einem unbemannten Träger mit einem höheren Verlustrisiko leben, wenn die Flüge deutlich preiswerter sind. Kein unbemannter Träger wird auf eine Zuverlässigkeit von 100 Prozent konzipiert. Damals waren 95 bis 98 Prozent Zuverlässigkeit für einen neuen Träger als Designziel üblich. Das Space Shuttle hatte beim Verlust der Challenger eine Zuverlässigkeit von 96 Prozent und lag daher genau in diesem Bereich (und dieser Verlust war ja nicht überraschend, sondern vorhersehbar, sodass es sogar noch besser liegen könnte).

1985 gab die NASA für Space Shuttle Operationen 1.354 Millionen Dollar aus, für 10 Starts (wenn die Columbia pünktlich gestartet wäre, finanziert war der Start aber). Das sind 136 Millionen Dollar pro Flug. Die NASA selbst rechnete mit Kosten von 88 Millionen Dollar für einfache Transportstarts, für diesen Preis konnte man den ganzen Nutzlastraum buchen. Der Unterschied zu den realen Kosten liegt daran, dass 1985 auch Space Shuttle Missionen (Spacelab) stattfanden die deutlich aufwendiger waren. Die Endeavour kostete als Ersatz der Challenger 2,1 Mrd. Dollar oder 1,7 Mrd. Dollar im Wert von 1985. Würde also ein Orbiter im Durchschnitt alle 25 Flüge verloren gehen, so lägen die Startkosten mit Nachbau eines Orbiters bei 156 bis 204 Millionen Dollar pro Flug. Zum Vergleich: Ein Space Shuttle konnte vier Nutzlasten der Delta-Klasse, zwei der Atlas-Klasse oder einer der Titan-Klasse befördern. Begrenzend war vor allem der Platz, denn die Nutzlastkapazität (als Masse) reichte zum Beispiel für sechs Delta-Nutzlasten. Damals kosteten diese Träger:

• Delta 3925: 38 Millionen Dollar x 4 = 152 Millionen Dollar
• Atlas G Centaur: 66 Millionen Dollar x 2 = 132 Millionen Dollar
• Titan 34: 154 Millionen Dollar

Die Startkosten waren also vergleichbar mit den Trägerraketen. Es gibt aber bei einem unbemannten Shuttle die Möglichkeit die Nutzlast zu steigern. Eine der fundamentalsten Nachteile des bemannten Systems war es ja das man bis zum Einsatzende am Gesamtsystem nur wenig änderte. Es gab viele kleine Änderungen – das Cockpit und die Avionik wurden modernisiert, die Zahl der Hitzeschutzkacheln wurde um ein Drittel gesenkt. Aber die Nutzlastkapazität deutlich erhöhende Änderungen gab es nur am Tank: zweimal wurde er leichter, was schlussendlich 7 t Nutzlast erbrachte. Es wurden Vorschläge für leistungsfähigere SRB gemacht, aufgrund der Kosten für die Anforderungen an eine bemannte Option aber nicht umgesetzt. Bei den Haupttriebwerken wurde sogar auf Performance verzichtet, damit sie sicherer waren. Bei einem unbemannten Träger wäre dies unkomplizierter gewesen. Aber es wäre gar nicht nötig gewesen. Die Space Shuttles hatten 1986 maximal 21 t Nutzast anstatt geplanter 29,5 – sie waren 10 bis 12 t zu schwer, etwa 3 t Nutzlast brachte der leichtere Tank und leicht verbesserte Triebwerke. Ein unbemanntes Space Shuttle braucht aber keine Mannschaftskabine. Man hätte diese entfernen und dafür den Nutzlastraum um etwa 3 m verlängern können. Wichtig, weil die Nutzlasten immer größer wurden. 1972 als es geplant wurde, waren 18 m viel, schon beim Einsatz konnte das Shuttle aber wegen der begrenzten Länge des Nutzlastraums nicht die volle Nutzlast (als Gewicht) ausnutzen. Problematisch ist das viele Transporte eine Oberstufe benötigen, die auch Platz wegnimmt und die bei Trägerraketen in der Regel nicht vom Nutzlastraum weggeht.

Vor allem aber erhöht der Wegfall der Mannschaftskabine die Nutzlast und zwar um rund 15 t. Etwa 10 t macht das Weglassen des Middecks und Einsparungen an weiteren Systemen aus (man benötigt keine Gase für die Besatzung, weniger Strom etc., 1,2 t sind alleine für die Besatzung vorgesehen) und 5 t Nutzlastgewinn kommen dadurch zustande dass nun das 3 g Limit wegfällt, also die Triebwerke mit 109 % Schub ohne Drosselung arbeiten können. Das wären dann rund 35 t Nutzlast pro Shuttle und damit wäre es selbst zum Einsatzende noch ausreichend leistungsfähig genug für alle Nutzlasten gewesen. Dazu kämen dann die Upgrades, die es während der Einsatzgeschichte gab, die die Nutzlast zum Einsatzende auf 40 t angehoben hätten. Reicht das nicht, so gab es ohne Neuentwicklungen leichte Upgrades, so waren für die Shuttle die Verlängerung der SRB von 4 auf 5 Segmente geplant – diese SRB werden nun bei der SLS eingesetzt. Das hätte 9,1 t weitere Nutzlast gebracht.

Die Centaur G die für das Space Shuttle entwickelt wurde, dann aber wegen der geänderten Sicherheitspolitik nie eingesetzt wurde, wäre einsetzbar gewesen. Die kurze Version hätte 4,5 t direkt in den GEO befördern können, das entspricht etwa 9 t in den GTO. Durch die höhere Nutzlast und den verlängerten Nutzlastraum hätte man aber auch die für Raumsonden vorgesehene lange Cersion (Centaur G Prime) einsetzen können, mit 6,35 t in den GEO oder 12,6 t in einen GTO.

Die Mehrnutzlast bedeutet aber auch das die Nutzlast nicht so stark absinkt. Schon bei dem geplanten Space Shuttle sank sie z.B. von 29,5 auf 14,5 t, wenn die Bahnneigung von 28,5 auf 104 Grad für Erdbeoachtungs- oder Spionagesatelliten anstieg. Der Verlust ist so hoch, weil der Orbiter selbst im Idealfall 70 % der Orbitmasse ausmacht. Steigt die Nutzlast um 15 t, so ist dies konstant, was bei der obigen Mission praktisch eine Verdopplung darstellt.

Was für Missionen wären mit einem unbemannten Space Shuttle möglich? Nun auf jeden Fall alle Missionen die nur Satelliten aussetzen. Wenn man etwas weiter denkt, dann sind es aber mehr Missionen. Eigentlich alle Typen bei denen man keine Menschen außerhalb des Shuttles oder in einem Labor braucht Selbst Satellitenbergungen sind möglich. Menschen können den Greifarm auch von einem gemütlichen Platz in Houston aus steuern. Ja die Sicht kann durch Videokameras im Frachtraum sogar besser sein als durch die Fenster im Middeck. Auch Missionen mit festen Nutzlasten im Frachtraum, ohne Druckmodul, wie Flüge mit SAR-Radar, Kameras oder Teleskopen im Frachtraum wären möglich.

Für die bemannten Missionen bleiben noch die Missionen mit einem Labor – Spacelab oder später Spacehab. Daneben alle Missionen die eine EVA erfordern, wie die Hubble Servicemissionen. Für die bemannte Raumfahrt gäbe es sogar Einsparungen. Der Aufbau der ISS dauerte über 12 Jahre und erforderte 37 Missionen. Es waren so viele, weil die Flugfrequenz begrenzt war, ebenso die Nutzlast und die ISS in niedriger Höhe war um die Space Shuttle Nutzlast zu erhöhen. So brachten andere Transporter vor allem Treibstoff, damit die Bahn nicht absank. Das ATV hob die ISS um 70 km an, was danach den Treibstoffvierbauch halbierte. Zwar sind bei vielen ISS-Missionen EVA nötig, aber alle von der ISS aus. Man hätte also die Teile auch unbemannt transportieren können. Meiner Ansicht nach hätte man die reinen Frachtflüge drastisch reduzieren können, weil die Nutzlast rund doppelt so groß war. Das japanische Kibo Labor benötigte zum Beispiel drei Missionen, bis es komplett im Orbit war. Weitere Flüge fallen weg, weil es schneller geht, so wird weniger Fracht für die Versorgung Besatzung (rund 30 t pro Jahr) und Treibstoff benötigt. Die ISS wäre sicher in weniger als der Hälfte der Zeit fertig gewesen was weitere Kosten bei der ISS einspart.

Idealerweise würde meiner Ansicht nach, es zwei unbemannte und zwei bemannte Shuttles geben. Die Columbia wäre mit Sicherheit ein bemanntes Shuttle. Denn sie wurde für Langzeiteinsatze umgebaut, weil sie die niedrigste Nutzlast aller Shuttles hatte. Die Endeavour als Nachbau wäre dann unbemannt gewesen, weil man bei ihr im Bau dann schon alles richtig machen kann. Von den baugleichen Orbitern Discovery und Atlantis würde man einen zu einem unbemannten Träger umbauen. Die beiden unbemannten Fähren könnten dann sicher 6-8 Missionen pro Jahr durchführen, was ausreichen würde alle Satelliten der NASA, DoD und NRO zu befördern und die bemannten Missionen wären dann weitere 3-4 pro Jahr.