Das V4 wirds schon richten

Am 27. August hat der CEO und Technische visionär von SpaceX S00: Eine neue Version des Starships angekündigt, das Starship V4. Die wesentlichen Details hat er in einer Folie weiterverbreitet, die ich hier wiedergebe. Ich habe sie zur besseren Lesbarkeit invertiert, das heißt, die Folie war ursprünglich in Schwarz als Hintergrundfarbe. Die Daten habe ich nochmals daraus extrahiert und präsentiere sie euch in dieser unten stehenden Tabelle.

Parameter	Starship V1 (2023/24)	Starship V2 (2025)	Starship V3 (2026-)	Starship V4
Nutzlast (wiederverwendbar)	15 t	35 t	100+ t	200+
Treibstoff SuperHeavy	3.250 t	3.250 t	3.650 t	4.050 t
Treibstoff Starship	1.200 t	1.500 t	1.600 t	2.300 t
Schub SuperHeavy bei Zündung	7100 t (69.650 kN)	7100 t (69.650 kN)	8240 t (80.830 kN)	10.000 t (98.100 kN)
Schub Starship bei Zündung	1.250 t (12.200 kN)	1400 t (13.730 kN)	1.600 t (15.700 kN)	2.700 t (26.480 kN)
Triebwerke Starship	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 3 Vakuum Raptor	6 SL + 3 Vakuum Raptor
Höhe SuperHeavy	71 m	71 m	72,3 m	81 m
Höhe Starship	50,3 m	52,1 m	52,1 m	61 m
Gesamtlänge	121,2 m	123,1 m	124,4 m	142 m
Gesamtmasse Treibstoff	4.450 t	4.750 t	5.250 t	6.350 t

Zum Vergleich, eine entsprechende Folie gab es schon nach dem dritten Testflug, IFT-3, des Starships, der vor ungefähr zwei Jahren erfolgte. Danach wurde ein Starship V2 und ein Starship V3 angekündigt. Das Starship V2 sollte erstmals die Raptoren in der Version 3 einsetzen, während die ersten sechs Starts mit den Raptoren in der Version 2 erfolgen. Der wesentliche Unterschied in den Raptoren ist ein höherer Brennkammerdruck und damit auch ein höherer Schub. Am spezifischen Impuls ändert dies sie aber nichts, er sinkt sogar dadurch leicht ab. Eine weitere technische Neuerung ist, dass diese Raptoren in der Version 3 „cleaner“ sein sollen als die der Version 2. und sie sollen bedeutend leichter sein. Dies wird dadurch erreicht, dass man einen Schutzvorhang, den man bei der 2-er Version um die Triebwerke herumbaut, vor allem um die Turbopumpe, wegfällt. Dieser Schutzschirm soll Nachbartriebwerke vor Beschädigungen schützen. Die endgültige Version war damals das Starship V3 mit einer deutlich verlängerten 2. Stufe und einer etwas verlängerten 1. Stufe. Ebenfalls mit Raptorentriebwerken des Typs 3, aber nochmals etwas höheren Schub, wiederum erreicht durch Erhöhung des Brennkammerdrucks.

Parameter	ITF-3	Starship V2	Starship V3
Nutzlast (wiederverwendbar)	N/A	100+ t	200+ t
Treibstoff SuperHeavy	3.300 t (3.400 t Soll)	3.650 t	4.050 t
Treibstoff Starship	1.200 t	1.500 t	2.300 t
Schub SuperHeavy bei Zündung	7.230 t (69.900 kN)	8.240 t (80.800 kN)	10.000 t (98.100 kN)
Schub Starship bei Zündung	1.250 t (12.200 kN)	1.600 t (15.700 kN)	2.700 t (26.480 kN)
Triebwerke Starship	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 6 Vakuum Raptor
Höhe SuperHeavy	71 m	72,3 m	80,2 m
Höhe Starship	50,3 m	52,1 m	69,8 m
Gesamtlänge	121,2 m	124,4 m	150 m
Gesamtmasse Treibstoff	4.500 t	5.150 t	6.350 t

Wie man nun beim Vergleich der beiden Folien sieht, hat sich einiges geändert. Das Starship V2 ist in dieser Form nicht geflogen. Im letzten und in diesem Jahr erfolgen ja insgesamt fünf Testflüge. Davon scheiterten aber die Hälfte. Und ein Starship wurde sogar am Boden zerstört. Vor allem wurde keines dieser Tests der Vehikel voll betankt, sondern immer nur teilweise betankt, weil noch die alten Raptoren in der Version 2 eingesetzt wurden. Das heißt, das Starship V2 in der unteren Folie flog so nie und das Starship V2 in der oberen Tabelle gibt nun die ungefähre Konfiguration wieder, die es hatte. Das Starship V3 soll nun das sein, was vor zwei Jahren als V2 angekündigt wurde. Das heißt, man hat hier den Treibstoff deutlich erhöht und die V3 Raptoren werden nun eingesetzt. Das (derzeitige) Starship V3 soll ab 2026 starten. Wahrscheinlich wird es, wie bisher, sechs Testflüge geben. Und erst danach kommt das Starship V4. Versprochen ist, dass das Starship V3 diesmal ein Orbit erreicht und vielleicht auch einmal Nutzlast aussetzt. Ob eine Landung allerdings geplant ist, das ist noch offen. Viele Spekulationen drehen sich darum, dass diese wahrscheinlich erst mit dem Starship V4 angegangen wird.

Mein Hauptinteresse gilt natürlich den technischen Daten. Sieht man sich diese an, so gibt es zwischen dem Starship V2 von 2023 und dem V3 von 2025 ein um 100 Tonnen schwereres Starship. Die Nutzlast von 100 t blieb gleich, ebenso der Schub.

Der große Sprung passiert dann beim Starship V4 (2023: noch V3). Hier wird die Super Heavy nochmals um 400 Tonnen schwerer. Aber der Treibstoffgehalt des Starships steigt um 700 Tonnen, relativ überproportional. Dafür sind auch drei weitere Raptoren in einem Starship notwendig. Spekuliert wird auch, ob in der Super Heavy 35 anstatt 33 Triebwerke eingebaut werden. Das erscheint nötig wenn man den Schubanstieg des Starships im Verhältnis zu den drei weiteren Triebwerken nimmt. Der Platz, wo dafür zur Verfügung steht, dürfte relativ gering sein, wenn man sich eine Aufnahme des Hecks der Super Heavy derzeit anzieht. Das macht die Regelung nochmals etwas herausfordernder. Andererseits ist dieser hohe Startschub von 100.000 Tonnen, also rund 3.000 Tonnen pro Triebwerk, alleine nicht durch eine Erhöhung des Schubs zu erreichen, sondern erfordert weitere Triebwerke. Ich errechne einen Bodenschub je nachdem ob ich die SuperHeavy oder das starship für die Rechnung heranziehe von 2800 bzw. 2860 kN für die Raptoren mit der kurzen Düse, das würde bei den bekannten Daten des Raptor 2 einem Brennkammerdruck von 373 Bar entsprechen. Diese liefen übrigens bisher nie mit vollem Schub, bei dem derzeitigen V2 (IFT 7-11) mit 93,5 % bei der SuperHeavy und 95,6 % bei dem Starship, (wenn die Schubangaben stimmen) oder 286 bzw. 281 Bar Druck. So spricht viel dazu das die bei „V4“ verwendeten Raptoren mit 400 Bar geratet sind, aber dieses Level wie bisher im Regelbetrieb nicht genutzt wird.

Schauen wir uns einmal die Nutzlastmasse an. Man kann aufgrund des Resttreibstoffs relativ zuverlässig die Nutzlast für einen Orbit abschätzen. Das ergibt sich aus der Flugbahn, die suborbital ist. Eine suborbitale Flugbahn hat fast dieselbe Geschwindigkeit wie ein Orbit. Es wird nur etwas mehr Geschwindigkeit benötigt, etwa 55 Meter pro Sekunde, um eine 200 Kilometer hohe Umlaufbahn zu erreichen. Dann benötigt das Starship noch etwas Treibstoff, um den Orbit wieder zu verlassen. Das ist typischerweise 3% seiner Startmasse. Ich habe nach dem dritten Testflug für das Starship eine Nutzlast von ungefähr 42 Tonnen errechnet. Allerdings war es beim dritten Testflug so, dass ein Experiment der Transfer von flüssigem Sauerstoff vom Haupttank in den Headertank, der für die Landung benötigt wird, war. Das bedeutet, dieser Tank war vorher leer. Zieht man diesen Treibstoff ab, so sinkt die Nutzlast deutlich ab und sie sank dann auch bei den weiteren Flügen des ersten Starships, also der V1-Version, von 30 auf 20 Tonnen ab. Beim derzeitigen Starship V2 habe ich dies auch getan. Ich komme bei den Testflügen, das ist natürlich abhängig von dem zu geladenen Treibstoff, auf eine Nutzlast von ungefähr 60 bis 70 Tonnen. Das ist deutlich mehr als Elon Musk auf dieser Folie angibt. Dabei sind die ausgesetzten Starlink-Satelliten schon mit eingerechnet. Allerdings fällt bei diesen suborbitalen Bahnen natürlich die Geschwindigkeit weg, die benötigt wird, um den Orbit zu erreichen und natürlich auch der Treibstoff, um ihn wieder zu verlassen, so dass diese 35 Tonnen durchaus möglich sind. Dazu gibt es natürlich bei jedem Raumvehikel Treibstoffreste, die nicht nutzbar sind, typischerweise 0,5 bis 1 Prozent des gesamten Treibstoffvorrates. Da sind bei 1500 Tonnen Treibstoff natürlich auch gleich mal 7,5 bis 15 Tonnen die in meiner Rechnung nicht auftauchen.

Ernüchternd sollte aber sein, dass vor zwei Jahren für das V2 uns schon 100 Tonnen Nutzlast versprochen wurden und es nun 35 Tonnen sind. Diese 100 Tonnen werden nun für das V3 versprochen und man fragt sich als Laie und erst recht als Experte, wie soll das gehen? Einer meiner Lieblingssprüche ist; „die Physik lügt“ nicht oder für Elon Musk umgedeutet: „Mutter Natur ist ein böses Weib“. Damit ist Folgendes gemeint. Die Nutzlast kann man anhand der Raketengrundgleichung abschätzen, wenn man zumindest von einer Konfiguration die eine echte Nutzlast hat. Weitere Triebwerke mit verändertem Schub ändern etwas an den Aufstiegsverlusten, aber nicht sehr viel, weil das Starship sowieso relativ geringe Aufstiegsverluste hat, da es mit einem sehr hohen Schubüberschuss startet. Aufgrund der physikalischen Grundlagen, eben der Raketengrundgleichung, hängt die Nutzlast davon ab von zwei Größen ab: welchen spezifischen Impuls die Triebwerke haben. Dieser bleibt bei dem Übergang von den Raptoren gleich, sinkt eher etwas ab, weil die Gase die Düsenmündung mit höherem Druck verlassen und dieser Restdruck nicht genutzt wird zudem wird mehr Treibstoff verbrannt um den höheren Brennkammerdruck zu erzeugen. Und er hängt ab von dem Verhältnis Voll- zu Leergewicht ab. Natürlich kann man mehr Treibstoff zuladen, aber dann braucht man auch größere Tanks. Das heißt, im Normalfall würde, wenn man eine Rakete einfach hochskaliert, die Nutzlast in etwa linear ansteigen. Wenn ich also von der Folie ausgehe und das Starship V2 zu V3 ungefähr 10% schwerer wird, dann sollte ich annehmen, dass auch die Nutzlast um 10% ansteigt und nicht um den Faktor 3, also 300%. Das ist natürlich nur eine Näherung. Es gibt bei jedem Starship Teile, die ändern sich nicht. Das Schubgerüst wird immer gleich groß sein. Auch diese relativ hohe und schwere, weil sie den Wiedereintritt überstehen muss, Nutzlastverkleidung oder Nutzlastbucht wird gleich bleiben. So werde ich in der Summe eine überproportionale Steigerung haben, aber bestimmt nicht eine Steigerung um den Faktor 3.

In meiner früheren Berechnung, wo ich dann schon berücksichtigt habe, dass SpaceX die Raptoren in der Version 3 deutlich leichter machen möchte, kam ich auf 120 bis 130 Tonnen bei dem Starship V3 der damaligen Zeit. Das ist das heutige Starship V4, das ungefähr 40% schwerer als das V3 ist. Also 40 % mehr Treibstoff führen zu 100 % mehr Nutzlast. Wie soll das gehen? Nun, es geht nicht. Es ist einfach eine Versprechung oder ein Ver-Sprecher.

Die Wunder-Raptoren

Dabei hatte ich bei meiner Berechnung schon die Daten zu den Raptoren von SpaceX übernommen. Diese sollen ja leichter werden, weil ein Schutzvorhang wegfällt der Nachbartriebwerke vor den Folgen einer Triebwerksexplosion schützt. Bei den beiden letzten Flügen sieht man aber das Gegenteil: Dieser Schutz wurde massiv ausgebaut und umgibt nun die Triebwerke wie zwei Bilder der letzten Starts zeigen (bei der SuperHeavy kann man diesen Bereich der Triebwerke nicht in der Übertragung sehen) . Und ich habe nicht berücksichtigt, das die Raptoren bei mehr Druck eher im spezifischen Impulse absinken. SpaceX Fans sehen das anders. Das Bild habe ich von dem Artikel übernommen. Der Autor meint dort das die Raptoren sogar auf einen spezifischen Impuls von 380 / 350 s (Raptor 2: real bei den bisherigen Testflügen 327,5 / 360,4 t Schub jeweils für die Version mit kurzer/langer Düse im Vakuum) erreichen. Wie soll das gehen? Wenn die Düse sich nicht ändert, wird bei steigendem Brennkammerdruck der spezifische Impuls absinken. Er tat es zum Beispiel beim Übergang vom Raptor 1 zu 2. Ein höherer Brennkammerdruck macht eine längere Düse notwendig, sonst verschenkt man Restenergie, die im Gas bei Verlassen der Düse steckt und noch bedeutender: Der um ein Drittel höhere Brennkammerdruck erhöht die Treibstoffmenge, die vor der Brennkammer im Vorbrenner vollständig verbrannt wird, um ein Drittel und deren Energie fehlt dann bei der Verbrennung. Daneben sind die Flächenverhältnisse falsch. SpaceX gibt für die Bodenversion einen maximalen Durchmesser von 1,30 m an. Bei 300 Bar Brennkammerdruck beträgt dann das Flächenverhältnis aber 17,3 und nicht 34 bis 40 wie reklamiert. Aus den Abbildungen rekonstruiert finde ich dann ein Flächenverhältnis von 70 für die Vakuumversion, nicht 80 oder gar 150 bis 200 wie behauptet. Auch das kann ein Grund für den niedrigeren Schub sein, der beobachtet wurde.

Nachdenken hilft

Bei den Vers-Sprechen von Elon Musk hilft Nachdenken. Ich habe in der Tabelle auch die Gesamttreibstoffmenge angegeben:

Parameter	Starship V1 (2023/24)	Starship V2 (2025)	Starship V3 (2026-)	Starship V4
Nutzlast (wiederverwendbar)	15 t	35 t	100+ t	200+
Gesamtmasse Treibstoff	4.450 t	4.750 t	5.250 t	6.350 t
Treibstoff pro 1 t mehr Nutzlast	–	15 t	7,6 t	11 t
Treibstoff/Nutzlast	296,7	135,7	52,5	31,7

Also die Erhöhung der Treibstoffmasse um 300 t von v1 zu V2 führt zu 20 t mehr Nutzlast oder 15 t Treibstoff pro Tonne. Das ist schon gut, die Falcon 9 liegt z.B. bei 32 t Treibstoff pro Tonne Nutzlast. Das wird aber nun noch besser. Weitere 65 t Nutzlast bekomme ich mit 500 t mehr Treibstoff beim V3, das sind nur noch 7,6 t Treibstoff pro Tonne Nutzlast. Interessanterweise wird dann die V4 wieder schlechter und braucht 1.100 t Treibstoff, um 100 t mehr Nutzlast zu befördern. Also 11 t Treibstoff pro Tonne Nutzlast. Sollte dieser Trend nicht gerade andersherum laufen?

Wenn ich die Zahlen von V1 und V2 als korrekt einstufe, dann müsste V3 beim gleichen Trend bei 68-69 t liegen und V4 bei 162 t. Real komme ich bei einer Simulation aber auf noch schlechtere Werte für V3/V4 und habe deswegen auch eine Wette laufen. Diese Angaben sind nur erreichbar, wenn das Starship (und in geringerem Maße die Superheavy) bei immer mehr Treibstoff leichter und nicht schwerer werden. Das Starship muss um auf die 100 t, die Elon Musk als Trockenmasse angibt, deutlich leichter werden. Bei den ersten Testflügen wog es mit Landetreibstoff zwischen 170 und 180 t. Wie soll das gehen? Bisher hört man bei den Testflügen nur davon, dass man Dinge installiert hat, um Probleme anzugehen, so ein Feuerlöschsystem im Triebwerksbereich oder die Verkleidungen der Triebwerke. Das macht das Starship nicht leichter, sondern schwerer.

Noch seltsamer: Elon Musk sagte vor Mitarbeitern, dass das Starship bei IFT-3 rund 40 bis 50 t in den Orbit gebracht hätte, was zu meinen errechneten 42 t passte. Dann nahm die Nutzlast durch Nachbesserungen auf 20 t bei IFT-6 ab. Passt auch noch zu den 15 t, das Auslesen der Tankanzeige aus dem Video ist relativ fehleranfällig.

Für die aktuellen Starship V2 errechne ich bei den letzten drei Tests rund 60 t Resttreibstoff wozu noch die 12 bis 16 t der Starlinksimulatoren kommen (wenn diese nicht nur die Abmessungen, sondern auch die Masse der V2-Generation von Starlink haben). Nach Musk sind es aber nur 35 t Nutzlast. Auf diese niedrige Angabe komme ich nur, wenn ich die Treibstoffmenge von 1.500 auf 1.200 t absenke und die Masse der Simulatoren weglasse. Das Absenken der Treibstoffmasse ist sogar schlüssig, denn die Brenndauer nahm nur wenig zu, nicht um ein Viertel, wie bei größeren Tanks zu erwarten. Um so merkwürdiger dann der Sprung von 35 auf 100 t, nachdem vorher es nur gelang von 15 auf 35 t zu kommen.

Die letzte Tabellenzeile zeigt dann die wunderbare Performancesteigerung bei SpaceX: Das Starship V1 brauchte fast 300 t Treibstoff um 1 t Nutzlast zu befördern. Das V4 nur noch etwas über 50 t. Eine Steigerung der Effizienz um den Faktor 6! Das entspricht einer exponentiellen Kurve:

Y = a * exp (b*x) mit A: 0,070157 und B: 0,001288, Korrelationskoeffizient R: 0,9970 und Bestimmtheitsmaß R²: 0,9940

Da freue ich mich auf V5: Bei vollem Schub der Raptoren und Beschränkung der Beschleunigung auf 1,25 g anstatt 1,5 g wären 7.500 t Treibstoff möglich, das wären bei dieser Gleichung dann 1.100 t Nutzlast, wenn das so weitergeht. Also erst Nachdenken, dann Musk-Fantasien weitergehen. Um an die Titelzeile anzuknüpfen. Ich bin mir sicher, in einem Jahr wird elon Musk das V5 vorstellen – und die Marsexpedition die für 2026 angekündigt ist erneut verschieben, wie schon mehrmals seit 2016.