Wiederverwendung zum erneuten Mal – Teil 2

Die Wirtschaftlichkeit

Dieser Teil schließt an den ersten Teil von gestern an, bei dem es um die technische Seite des Aspekts geht, heute geht es um den wirtschaftlichen Aspekt.

Schlussendlich will man bei einer Wiederverwendung Geld sparen und nicht das Gegenteil, was durchaus der Fall sein kann, dazu später noch mehr. Da sich nun sicher wieder SpaceX Fans einfinden, fange ich bei den Grundlagen an, und zwar mit einem Beispiel aus dem täglichen Leben: Man kann Schuhe von der Stange kaufen oder sich diese Maßanfertigen lassen. Der Preisunterschied ist enorm, maßgefertigte Schuhe können mehrere Tausend Euro kosten. Das liegt nur zum Teil an besseren Materialien oder mehr Sorgfalt, selbst das Maßnehmen und das Herstellen der individuell angepassten Leisten fällt nicht so ins Gewicht, wie man denkt. Maßanfertigung ist die Produktion eines Einzelstücks. Jedes Einzelteil wird von Hand zugeschnitten, vernäht etc. Das dauert und Arbeitszeit eines Schustermeisters ist teuer. Hat ein Schuster viele Kunden, so kann er daran denken weitere Personen einzustellen und die beste Möglichkeit die Preise zu senken ist die, das jede Person nur noch eine Aufgabe hat, also nicht mehr den ganzen Schuh macht, sondern z.B. nur zuschneidet, nur vernäht oder nur Löcher für die Schnürsenkel stanzt und mit Nieten versieht. Sehr bald ist sie da schneller als der Schuster, weil sie mehr Übung hat. Sie muss auch nicht die Arbeit unterbrechen und dann eine andere Tätigkeit ausführen und sie muss nicht den ganzen Prozess beherrschen, es reicht also eine angelernte Kraft und die verdient weniger als ein Schustermeister. So produzierte Schuhe können billiger sein als Einzelexemplare. Bei noch höherer Nachfrage kann der Schuster daran denken Maschinen einzusetzen, zum Nähen, Schneiden oder stanzen. Dann geht es noch schneller und die Kosten sinken weiter, denn wir alle wissen: Arbeitszeit ist teuer und wenn Maschinen Menschen ersetzen hat man zwar anfangs hohe Anschaffungskisten, spart dann aber bei den laufenden Ausgaben. Bei noch höherer Nachfrage kommen wir dann zu einer Serienproduktion in einer Fabrik, aber eben nach Maßtabelle ohne individuelle Anpassung.

Das gilt natürlich auch bei Raketen. Die meisten Träger erreichen pro Jahr nicht einmal eine zweistellige Startzahl, sodass wir hier bei einer Einzelfertigung sind. Je mehr Raketen man pro Jahr produziert, um so mehr lohnt sich die Investition in Maschinen. Dann werden auch Arbeitsabläufe umstrukturiert. Ein Beispiel kann die Fertigung von OneWeb Satelliten bei Airbus sein. Normalerweise wird ein Satellit nacheinander zusammengebaut und ein Team kümmert sich darum, verstärkt bei den einzelnen Stationen dann jeweils um Spezialisten für die einzelnen Subsysteme. Bei Oneweb sollten über 600 Satelliten in wenigen Jahren gebaut werden und ein Satellit durchlief hier feste Stationen. Jede Station mit einer Mannschaft hatte einen Arbeitstag um ihr Pensum umzusetzen, dann wanderte der Satellit weiter. Wir haben also auch hier eine Vorgehensweise wie beim Automobilbau wo ein Team die Scheiben einbaut, ein anderes den Motor etc.

Aber auch wenn wir von wenigen Starts pro Jahr reden, sodass es andere Abläufe gibt, gibt es trotzdem Unterschiede in der Fertigung und die sieht man beim Zusammenbau. Es gibt mehrere Verfahrensweisen: Legt man eine Rakete nur für wenige Starts aus, so kann man sie am Startplatz aus den Stufen und der Nutzlastspitze zusammenbauen. Das ist bei der Vega so und war schon bei der Ariane 1 am selben Startplatz so. Für wenige Starts brauche ich kein eigenes Integrationsgebäude, das spart Mittel, aber die Startrampe ist eben über Monate blockiert. Bei Ariane 4 ging man daher dazu über, die Rakete in einem Gebäude zusammenzubauen, den Satelliten in einem anderen Gebäude in die Nutzlastspitze einzubauen und beides erst am Startplatz zusammen mit den Feststoffboostern (aus Sicherheitsgründen) zu montieren. So konnte man zwei Starts parallel abwickeln und Ariane 4 konnte so auch viel häufiger starten.

Bei noch höheren Startzahlen lohnt sich die horizontale Integration. Die Rakete liegt also auf der Seite. Sie benötigt so nur eine Halle und kein Gebäude, das so hoch ist das die Rakete mit 50 oder mehr Metern Höhe komplett reinpasst. Das spart Aufwendungen für die Gebäude, hat aber den Nachteil, dass man weniger gut an die Stufen und Verbindungen herankommt und die Kräfte beim Zusammenbau eben nicht in dieselbe Richtung wie beim Aufrichten zeigen. Russische Träger, aber auch die frühen US-ICBM, von denen in kurzer Zeit viele in Dienst gestellt wurden, werden so zusammengebaut. Es gibt sogar einen seltenen Fall, wo man beide Formen einsetzte. In Bremen wurde die zweite Stufe der Ariane 1-4 zusammengebaut, vertikal integriert. Als die Ariane 4 Gestalt annahm, sollte Bremen auch die mit flüssigen Treibstoffen angetriebenen Booster fertigen. Eine Ariane 4 hatte eine zweite Stufe aber bis zu vier Booster. Durch die höhere Stückzahl schwenkte man bei ihnen auf die horizontale Integration über. Es ist also durchaus nicht so, dass Firmen nicht versuchen die Kosten zu senken. Ariane 1 war inflationsjustiert genauso teuer wie die derzeitige Ariane 6, hatte aber nur ein Sechstel der Nutzlast, das ist doch eine große Leistung.

Trotzdem gibt es sicher eine Mindestzahl an Trägern pro Jahr, ab der die Produktion nicht gestreckt werden kann, also Personal zeitweise keine Arbeit hat. Ich würde dies bei 3-4 Trägern pro Jahr ansetzen, weil es einige Beispiele gibt, wo Träger recht teuer waren, die selten starteten. Japan brachte es nie so weit, für die H-II/A/B die Startfrequenz so zu erhöhen, dass die sehr zuverlässigen Träger für kommerzielle Kunden auch finanziell attraktiv gewesen wären, ich kann mich nur an wenige Aufträge aus dem Ausland erinnern. Bei der Titan setzte ab Mitte der Achtziger Jahre mit dem Auslaufen des Modells ohne Booster eine drastische Verteuerung ein. Bis heute bezahlen NASA, DoD und NRO US-Hersteller dafür, dass sie in Zeiten einer Flaute nicht Mitarbeiter entlassen und so Erfahrung verloren geht, was die Firmen sonst tun würden. Im Folgenden gehe ich davon aus, das die minimale Startrate für eine rationelle Produktion bei 4 Starts pro Jahr liegt und diese auch bei der Wiederverwendung von einer Stufe nicht unterschritten werden sollte.

Kommen wir daher zu einer der Folgen der Wiederverwendung für die meisten Hersteller von Trägerraketen – dem Absinken der Startzahl. Wird eine Stufe nur zweimal eingesetzt, so halbiert das die Startzahl. Setzen wir 4 Exemplare pro Jahr als untere Grenze für eine rationelle Produktion, so müssen mindestens 8 Starts (zweimalige Verwendung) pro Jahr erfolgen. In den letzten fünf Jahren hatten nur sechs Träger im Mittel 8 oder mehr Starts pro Jahr: die Falcon 9, Sojus, Electron und die Chang Zheng 2/3/4 die zudem Varianten des Basismodells Chang Zheng 2 sind. Würde ein Hersteller, der nicht unter dieser Liste ist, daher anfangen nur die erste Stufe zweimal wiederzuverwenden, so würde für diesen Teil der Rakete die Stückzahl unter die kritische Grenze von 4 Exemplaren/ Jahr drücken. Die genannten Hersteller kommen dagegen auf eine so hohe Startzahl, dass diese Grenze nicht gerissen wird und haben im Falle von China und der Electron auch eine Bergung getestet. Für die meisten Hersteller ist das, weil sie nicht Arbeiter entlassen und nach Monaten wieder neue einstellen können, keine intelligente Vorgehensweise.

Interessanterweise haben gerade die Maßnahmen, die den Trägerpreis in den letzten Jahrzehnten deutlich senkten einen die Wiederverwendung hindernden Effekt: Wenige schubstarke Triebwerke sind billiger in der Produktion als viele schubschwache. So haben die meisten Träger eben ein oder zwei Haupttriebwerke und nicht vier oder noch mehr Triebwerke. Feststoffantriebe sind in der Herstellung günstiger als Stufen, die flüssige Treibstoffe nutzen, aber ihre Wiederverwendung ist deutlich aufwendiger. Bei Ariane 5 barg man die Booster anfangs um sie zu inspizieren, was schlussendlich auch eine Verbesserung für die Evolution Variante ermöglichte, aber sie erneut zu verwenden lohnte sich nicht. Später stellte man die Bergung ganz ein.

Hat man wie bei einigen neuen Trägern in der ersten und zweiten Stfe dasselbe Triebwerk, dann benötigt man wegen des Schubüberschsses und der Startmasse zwar in der ersten Stufe sehr viele Triebwerke, 6-12 je nach Stufenverhältnis, aber man kommt so auf eine ausreichende Stückzahl auch bei der Wiederverwendung. Kleines Beispiel: Eine Rakete die acht Triebwerke in der ersten und eines in der zweiten Stufe hat und achtmal pro Jahr eingesetzt wird benötigt 72 Triebwerke pro Jahr. Bei zweimaligem Einsatz der ersten Stufe sinkt das auf 24, was genauso viel ist, wie bei einer Rakete mit zwei Triebwerken in der ersten Stufe und derselben Startzahl. Ebenso sorgt ein durchgängiger Durchmesser dafür, das die Teile des Tanks die sich aus den Tankdomen und zylindrischen Zwischenstücken zusammensetzen, in ausreichender Menge gefertigt werden.

Die Wiederverwendung der zweiten Stufe, wie beim Starship geplant, halte ich für unwirtschaftlich aus zwei Gründen: Zum einen kompensiert bei der oben beschriebenen Architektur mit nur einem Triebwerk bei beiden Stufen und einem durchgehenden Durchmesser die Oberstufe bei der Produktion Ausfälle durch die nun niedrige Stückzahl der Unterstufe, ja es kann sogar sein, das durch einen geringeren Preis die Startzahl ansteigt und man so wieder zu größeren Stückzahlen kommt. Wird nun auch die Oberstufe erneut verwendet, so hat man eine Einzelfertigung, die unwirtschaftlich ist. Der zweite Grund liegt in dem im ersten Teil skizzierten enormen Nutzlastverlust, der beim Space Shuttle bei ²/₃ bis ³/⁴ der Nutzlast eines Systems lag, bei dem der Orbiter durch eine Raketenstufe ersetzt worden wäre. Die Oberstufe ist zwar im Verhältnis zu ihrer Masse viel teurer als die Unterstufe, aber nicht so teuer.

In jedem Falle muss auch bei Wiederverwendung der ersten Stufe die Rakete größer sein als bei einer nicht wiederverwendbaren Version. Eine nicht wiederverwendbare Falcon 9 hätte je nach Zielorbit nur 66 – 75 % der Startmasse einer Falcon 9. Die technisch sehr ähnliche Zenit wog 473 t bei 6 t in den GTO, die Falcon 9 wiegt 549 t bei 5,5 t in den GTO. Das ist auch ein Grund, warum man die zweite Stufe nicht wiederverwenden sollte denn dann reden wir von einer viel größeren Rakete. Das aktuelle Starship (Stand Juni 2025) hat nach der Masse der Starlink-Simulatoren bei den Starts 7 bis 9 in etwa die Nutzlast einer Falcon 9, wiegt aber achtmal so viel.

Der Versuch einer Berechnung

Ohne belastbare Zahlen, die natürlich die Firmen nicht rausrücken, ist es schwierig eine Berechnung zu machen, aber ich will es versuchen, sage aber sofort das dies meine persönliche Einschätzung ist. Die Fakten, auf denen ich die Abschätzung mache will ich aber angeben.

Es gibt sogar eine offizielle Zahl, wenngleich sie alt ist: Die erste Stufe macht 70 bis 75 % des Herstellungspreises aus. 2016 erwartete SpaceX nach Shotwell, dass die Wiederverwendung der ersten Stufe (die damals auf 10 Einsätze geschätzt wurde) 30 Prozent der Kosten ausmacht. Man würde erwarten, dass wenn sie nur ein zweites Mal verwendet wird, es die Hälfte der 70 bis 75 Prozent wären also 35 bis 37,5 Prozent und bei zehnmaligen Einsatz sogar 63 bis 65 Prozent. Den Preis für eine Oberstufe 12 Millionen Dollar und die Nutzlastverkleidung (6 Millionen Dollar) kennen wir. Unbekannt ist, was SpaceX an Gewinnen einstreicht, wie viel die Startvorbereitung kostet und die Bergung und die danach anstehende Inspektion und Reparatur. Ich würde darauf tippen, das Shotwell in dem Interview von 2016 nicht von zehn Einsätzen ausgeht, sondern fünf. Teilt man die Zahl der bisher produzierten Erststufen durch die Flüge so kommt man auf etwa 5 Einsätze im Mittel. Es können ja auch Stufen verloren gehen was in der Anfangszeit auch oft vorkam und wenn die Reparaturen nach einem Einsatz stark zunehmen, lohnt es sich eine Stufe durch eine neu produzierte zu ersetzen. Bei 5 Einsätzen kann man die Bergungskosten auf etwa 14 bis 15 Prozent des Gesamtpreises schätzen. Gerne hätte ich alles konkretisiert, aber es gibt von Spacex und Elon Musk nur wirklich wenige konkrete Angaben, dafür um so mehr Schätzungen selbsternannter Experten. Die Angaben von SpaceX widersprechen zudem anderen Erfahrungswerten. So ist die kleine Nutzlastverkleidung der Falcon 9 mit 6 Millionen dollar sehr viel teurer als die viel größere einer Ariane 5/6. Bei Stufen macht das Triebwerk oft den Löwenanteil aus, doch SpaceX beziffert die Kosten der Oberstufe einer Falcon 9 auf 12 Millionen Dollar, das Merlin Vakuum soll aber nur 2 Millionen Dollar kosten.

Die 30 Prozent Kostenersparnis müssen natürlich mit den 25 bis 33 Prozent Nutzlasteinbuße gegengerechnet werden. SpaceX hätte eine kleinere Rakete bauen können. Da ein Merlin 1,5 Millionen Dollar kostet und man auf drei Triebwerke verzichten könnte (Einsparungen bei den Tanks ignoriert) wäre eine nicht wiederverwendbare Falcon mit derselben Nutzlast auch um 4,5 Millionen Dollar billiger, sodass die reale Einsparung beim damaligen Preis von 61,2 Millionen Dollar pro Start bei etwa 20 Prozent liegt. Da ist klar, das dies nicht der große Gamechanger ist und auch warum andere Firmen sich so schwertun, das zu übernehmen.

Viel bedeutsamer ist das wir durch die Konstellationen einen rapiden Anstieg der Startrate haben. SpaceX startete 2024 insgesamt 132 Falcon 9, davon waren 89 Starts, also mehr als ²/₃ für das eigene Starlinknetz. Einen großen Auftrag für eine Konstellation hat auch ULA mit 47 Starts der 83 Starts für Kuiper erhalten. Alleine durch die Erhöhung der Startrate kann man die Startkosten stärker senken als durch die Wiederverwendung. 2016 als die Wiederverwendung klappte, startete die Falcon 9 insgesamt achtmal, letztes Jahr 132-mal. Wenn SpaceX die Produktionsmethoden angepasst hat, so müssten sie den Startpreis massiv gesenkt haben. Viel stärker als durch die Wiederverwendung.

Ein Kriterium aus der Betriebswirtschaft zur Abschätzung wie Serienproduktion ein Produkt verbilligt ist folgende Formel:

K = N^p/N * K₀

K = Kosten pro Stück

K₀ = Kosten bei Einzelproduktion

N = Anzahl der pro Zeitraum gefertigten Exemplare (Serie)

p = Erfahrungsfaktor, typisch 0,7 bis 0,8

Vergleicht man nur N=8 für 2016 und N=132, da wir K₀ ja nicht kennen und nehmen für p den Wert 0,75 als Mittel zwischen 0,7 und 0,8 so kommt man darauf das alleine die höhere Stückzahl die Produktionskosten halbiert hat. Ähnliches dürfte auch für den bei einer Rakete ebenfalls signifikanten Anteil der Startkosten gelten, denn die Mannschaften dürften eingespielter sein und vor allem kommt SpaceX bei den 132 Starts mit drei Startrampen aus, das sind zwar dreimal so viele wie 2016, aber die handeln die 16-fache Startzahl.

Andere Launch Service Provider können davon nur träumen, denn selbst wenn man alle kommerziellen Starts und Starlink abzieht, kam SpaceX letztes Jahr noch auf 22 Starts für die US-Regierung, zu denen nur US-Firmen Zugang haben. Das sind, weil die USA ungefähr fünfmal so viel Geld für Weltraumfahrt ausgeben wie die gesamte EU, eine sichere Einnahmequelle die SpaceX auch nur zum Teil mit ULA teilen muss (neun der 22 Starts waren die einer Dragon, entweder für Frachttransport oder Mannschaftstransport oder kommerzieller Tourismus). Lediglich China hat noch ein so umfangreiches Raumfahrtprogramm, das ihre Träger auch auf so hohe Startzahlen kommen.

Trotzdem hoffe ich für die Allgemeinheit, dass diese Konstellationen sich nicht durchsetzen werden. Die vielen Satelliten erhöhen das Risiko, dass der Orbit durch das Kessler-Syndrom einmal unnutzbar wird und auch natürlich auch dabei die meisten schon derzeit genutzten Satelliten ausfallen enorm. Dies für den kleinen Nutzen eines Internets überall auf der Welt. Da Lücken durch einen terrestrischen Ausbau immer kleiner werden, bin ich da optimistisch. Eine terrestrische Lösung ist immer billiger als ein Satellit, außer vielleicht bei sehr unzugänglichen Gebieten. Die sind dann aber auch meist dünn besiedelt sodass man hier nicht auf die Nutzerzahl kommt die ein solches Netz braucht. Nicht zuletzt zeigen bisherige Erfahrungen, dass sich die Hoffnungen nicht erfüllen können. Zur Jahrtausendwende wurde als analoges Netz nur für Mobilfunk Iridium und GlobalStar aufgebaut, durch den terrestrischen Ausbau der Mobilfunknetze gerieten beide Anbieter in Schwierigkeiten, Iridium stand zeitweise vor dem Bankrott. Neue Satelliten für bede Systeme werden kaum noch gestartet. Andere Netze, die damals geplant waren, wie von ICQ und Teledisk wurden gar nicht erst umgesetzt. Auch Oneweb, Pioneer vor SpaceX kam in Schwierigkeiten, wurde von der britischen Regierung gerettet und dann von Investoren übernommen. Deren Netz steht, aber hört keine Nachrichten über einen Weiterausbau, für den man ja Mittel durch Erlöse bräuchte. Elon Musk hat selbst gesagt, das Starlink auf Basis der Falcon 9 (erste Ausbaustufe mit 200 bis 250 kg schweren Satelliten) auf finanziell schwachen Füßen steht. Wenn selbst der sonst so optimistische SpaveX-CEO das sagt dann gibt es doch die Chance das die Gewinnerwartungen an die weitere Ausbaustufe für das SpaceX dann das starship benötigt, sich nicht so erfüllen und man den Ausbau irgendwann stoppt. Da die Starlink Satelliten nur eine Designlebensdauer von 5 Jahren haben (sehr wenig für Kommunikationssatelliten) dürfte dann das Problem in ein paar Jahren weg sein, vorausgesetzt SpaceX kann alle Satelliten auch sicher deorbitieren. Ansonsten bleiben sie lange im Orbit. In bis zu 560 km Höhe je nach Bahnebene sicher über ein Jahrzehnt, es können aber auch mehrere Jahrzehnte sein. Viele der Starlink V1 Satelliten befinden sich derzeit aber noch in niedrigeren Orbits. Geplant sind aber noch weitere Shells in bis zu 1.114 km Höhe. Satelliten in dieser Höhe brauchten Jahrhunderte bis Jahrtausende. bis sie verglühen. Die genannten 5 Jahre Design-Lebensdauer scheinen auch wirklich die Maximalbetriebszeit zu sein. Von den stand heute (17.6.2025) 4.714 gestarteten Starlink Satelliten der ersten Generation, deren letzter Start am 16.7.2023, also vor nicht einmal zwei Jahren war, sind nur noch 3.651, also 77 Prozent aktiv, dabei war der erste operative Start erst am 24.5.2019. Lediglich 541 Satelliten der Starlink-Konstellation sind seit mindestens 5 Jahren im Orbit. Die Ausfallrate ist also deutlich höher, als bei einer Lebensdauer von 5 Jahren zu erwarten ist.

Meine Meinung

Wiederverwendung lohnt sich bei der ersten Stufe nur, wenn man genügend Starts pro Jahr hat. An dem Kriterium scheitern schon die meisten Anbieter. Nur Anbieter aus den USA kommen durch die garantierten Regierungsaufträge in diese Region. Es bleibt spannend zu sehen ,wie das bei der Vulcan und New Glenn verläuft. Beide Firmen haben eine Bergung angekündigt. Blue Origin hat sie auch versucht, bei ULA blieb es bisher bei vagen Plänen. Für SpaceX dürfte der wichtigste Nutzen der Wiederverwendung keine Kosteneinsparung sein, sondern ein anderer: Als Musk von Boeing die Fabrikhalle übernahm, war sie eigentlich zu groß für sein Unternehmen, damals sprach er von einer Produktionskapazität von 40 Cores (Zentralstufen: Falcon 9 eine Core pro Rakete,, Falcon Heavy drei) pro Jahr. Heute produzieren sie immer doch da, ohne das Werk zu erweitern, nur eben nur wenige Cores (bisher 95 produzierte in 14 Jahren) dafür im letzten Jahr 132 Oberstufen, die nur ein Drittel der Länge haben und daher viel weniger Platz einnehmen. Ohne Wiederverwendung würde die Fabrik sicher nicht ausreichen auch noch 132 Erststufen für die Falcon 9 plus weitere für die Falcon Heavy zu produzieren.

Auf die Idee zu Starlink kam Musk erst Jahre nach den ersten wiederverwendeten Raketen, Oneweb war wohl der Ideengeber, denn die kündigten ihr Netz ein Jahr vor SpaceX an. Nur mit Wiederverwendung können sie die Startzahl schaffen, da ihr Netz viel mehr Satelliten umfasst. Sollte das Starship scheitern, so können sie bei 89 Starts pro Jahr (wie 2024) bei den derzeit pro Start transportierten 26 Satelliten in fünf Jahren – dann müssen Satelliten spätestens ersetzt werden – 11.570 Satelliten starten, also weniger als die genehmigten 12.000, zudem dürfen dann keine vorzeitig ausfallen oder gar nicht erst den operativen Orbit erreichen.