Nachdem ich mich im zweiten Teil auf die Raptoren konzentriert habe, folgt in diesem Teil das Starship selbst und die Superheavy, vor allem aber das Konzept als Ganzes. Ich empfehle aber, wenn du durchs Surfen hierher gelangt bist, zuerst einmal den ersten Teil zu lesen, weil ich dort auf einige grundlegende Einschränkungen bei der Wiederverwendung eingegangen bin, die ich jetzt als Wissen voraussetze.
Hier die Links zu allen Teilen:
- Teil 1 beschäftigt sich mit den Falcons
- Teil 2 beschäftigt sich mit den Raptoren
- Teil 3 beschäftigt sich mit dem Starship
- Teil 4 beschäftigt sich mit dem Firmenklima bei SpaceX und warum SpaceX keine Firma sondern eine Ersatzreligion ist.
- Und alle Teile zusammen findet ihr auch auf der Website
Ich fange einmal mit der Superheavy an. Die Superheavy ist vom technischen Aufbau her eigentlich eine ganz normale Raketenstufe mit einigen Besonderheiten. Eine Besonderheit ist, dass die Superheavy sehr schmal ist – nicht so extrem wie die Falcon‑9‑Erststufe nach ihrer Verlängerung, aber trotzdem mit 70 m Länge bei 9 m Durchmesser sehr schmal. Deswegen hat man recht wenig Platz für die Triebwerke. 33 Raptor‑Triebwerke sind es, während der Entwicklung und als Option für ein Starship V4 waren auch mehr angedacht, bis zu 39 Raptor‑Triebwerke.
Eine Rakete muss ihre Richtung ändern können, das geht durch Schwenken der Triebwerke. Das geht nur bei den inneren 13 Raptor‑Triebwerken, die äußeren Raptor‑Triebwerke sitzen zu dicht. Das ist schon einmal eine Einschränkung beim Betrieb, die man mit einem etwas größeren Durchmesser (10 m oder 11 m) vielleicht lockern könnte.
Im Grundprinzip verfolgt die Superheavy das Prinzip der Rückkehr zum Startplatz. Mit einher geht der Nachteil, dass dies mit größeren Nutzlasteinbußen als bei der Landung auf dem Dronenschiff verbunden ist. Bei der Falcon 9 sinkt die Nutzlast bei der Rückkehr zur Startbasis je nach Zielgeschwindigkeit um ein Drittel bis 60 % ab gegenüber der Seelandung. Daneben wird die Superheavy nun im Startturm eingehängt, während die Falcon 9 noch ausfahrbare Landebeine hatte. Das ist so ein typisches Beispiel dafür, wie bei SpaceX der CEO nur Dinge genehmigt, die „cool“ sind, denn mit Landebeinen könnte die Superheavy auf praktisch jedem ebenen Boden landen – eben auch auf einem Dronenschiff oder, wenn es im Flugpfad liegt, auf einer Plattform auf einer Insel oder an Land. Man hat also außer der „Coolness“ nichts gewonnen, aber Nutzlastkapazität und Flexibilität verloren.
Dafür braucht die Superheavy viel Treibstoff. Bei den letzten Testflügen blieben nach Anzeige etwa 14 % Treibstoff in den Tanks zurück; bei den vor dem Jungfernflug angegebenen Massen ist das mehr als die doppelte Leermasse der Stufe. Das ist auch der Grund, warum die Stufentrennung bei relativ niedriger Geschwindigkeit erfolgt – bei Starship V3 unter 6000 km/h –, sodass das Starship von 28 000 km/h das meiste selbst aufbringen muss.
Wie die „Coolness“ das Vorgehen bei SpaceX bestimmt, zeigt auch der Wechsel des Stufentrennungsverfahrens nach dem ersten Testflug. Vorher sollte die Stufentrennung so erfolgen, dass die Superheavy sich zurückdreht und dabei das Starship ablöst, basierend auf einem Mechanismus, den man bei der Falcon 9 für das Aussetzen der Starlink‑Satelliten nutzt. Das funktionierte nicht. Beide Stufen blieben verbunden. Der Ansatz muss so vermurkst gewesen sein, dass SpaceX nicht versuchte, den Mechanismus funktionsfähig zu bekommen, sondern komplett auf ein neues Verfahren umschwenkte.
Immerhin: Bei der Superheavy macht der Wechsel des Materials auf den heute eigentlich nicht mehr verwendeten Stahl Sinn. Stahl ist hoch erhitzbar durch die Reibung beim Wiedereintritt, so kann wenigstens die Abbremsung vor der Landung, die eine Falcon 9 durchführen muss, entfallen.
Kommen wir zum Starship. Das Starship ähnelt mehr einer Raketenstufe als dem einzigen bisher geflogenen Vorbild bei der Wiederverwendung, dem Space Shuttle. In der Raketenstufe hat das Starship denselben Aufbau wie die Superheavy, nur weniger Triebwerke und zusätzliche Tanks, die benötigt werden, wenn man den Orbit verlassen will, was ja erst nach Stunden oder Tagen der Fall sein kann, sowie Tanks für die Landung. Eine Seite des Starships ist mit hexagonalen schwarzen Hitzeschutzkacheln bedeckt.
Vorne endet das Starship mit einer Nutzlastsektion, auf die ich zuerst einmal eingehen will. Normale Raketen haben eine Nutzlastverkleidung, die abgeworfen wird, sobald die Rakete so hoch ist, dass die Luftreibung dem Satelliten nicht mehr gefährlich wird. Die Masse der Nutzlastverkleidung schlägt so kaum auf die Nutzlast durch. Anders ist dies bei der Starship‑Nutzlastverkleidung. Die Starship‑Nutzlastverkleidung bleibt beim Starship und muss beim Starship bleiben, sonst würde die aerodynamische Form, die das Starship für den Wiedereintritt braucht, verloren gehen.
Das alleine kostet – wenn man die Masse auf Basis der Tanks abschätzt – etwa 14 t Nutzlast. Dabei ist die Starship‑Nutzlastverkleidung nicht einmal groß: Von 123 m Höhe des Gesamtgespanns entfallen 17 m auf die Verkleidung – bei Ariane 64 sind es 20 m von 62 m. Der Durchmesser ist größer, doch das dürfte für normale Satelliten ohne Belang sein.
Inzwischen glaube ich auch nicht, dass SpaceX mit dem Starship etwas anderes transportieren will als die eigenen Satelliten, denn wie man bei den beiden letzten Testflügen erstmals bei Aufnahmen sah, werden die Satelliten nicht entlang der Längsachse ausgestoßen, sondern seitlich. Das geht mit einem Dispenser und bei kleinen Satelliten, aber wohl kaum mit einem herkömmlichen größeren Satelliten.
Wie schon bei der Falcon Heavy – mit der Nutzlastverkleidung hat SpaceX völlig am Bedarf der meisten potenziellen externen Kunden vorbei designt. Entsprechend sind bisher auch kaum externe Buchungen für das Starship bekannt. Die NASA führt das Starship inzwischen auch auf ihrer Performance Query‑Seite auf – als einzigen Träger ohne Angabe des Standardadapters.
Die Landung soll wie bei der Superheavy durch Einfangen am Startturm erfolgen. Dazu braucht man entweder zwei Startbasen (je eine für die Landung der Superheavy und des Starships) oder man muss den Startturm nach der Landung der Superheavy schnell freikriegen. Angeblich soll das Starship ja einmal täglich starten. Das wird eine Herausforderung werden. Schon jetzt bezweifelt die NASA, dass SpaceX die angekündigten Intervalle für das Auftanken von 12 bzw. 24 Tagen (eine bzw. zwei Startbasen) für die Artemis-Mondmission hinbekommt.
Bei den ersten Testflügen für das Trainieren der Landung landete das Starship übrigens noch auf ebenem Boden mit Landebeinen wie die Falcon 9. Wäre SpaceX dabei geblieben, hätte SpaceX – ohne vier Generationen zu brauchen – recht einfach die Nutzlast anheben können, dazu komme ich noch zurück.
Rein technisch verschiebt sich der Orbitpfad über die Erde. Je nachdem, wie viel Querreichweite das Starship hat, ergeben sich Landemöglichkeiten in einem Minimalabstand von 12 bis 24 Stunden. Das Space Shuttle hatte 1 800 km Querreichweite. Mit den kleinen Stummelflügeln liegt die Querreichweite des Starships wahrscheinlich deutlich darunter.
Optimiert man den Orbit so, dass die Umlaufperiode ein ganzzahliger Bruch von 24 Stunden ist (z. B. 90 Minuten = 274 km hohe Kreisbahn), so gibt es Landemöglichkeiten alle 12 Stunden (Teiler durch 2 teilbar, z. B. bei 90 Minuten) oder alle 24 Stunden (z. B. bei 96 Minuten, 566 km Höhe).
Daher hat das Starship auch eigenen Treibstoff für das Verlassen des Orbits und die Landung in isolierten Tanks, da ohne Isolierung die Resttreibstoffe sonst schnell verdampfen. Das sieht man auf den Bildern der Teststarts schon.
Das grundlegende Problem liegt in zwei Dingen. Zum einen: Starship und Nutzlast erreichen zusammen einen Orbit. Geplant waren 100 t Nutzlast und 120 t Trockenmasse beim Starship. Schon das ist schlecht – typisch wiegt die letzte Stufe in einem LEO ein Viertel bis ein Drittel der Nutzlast und nicht mehr als die Nutzlast. Die Konsequenz ist, dass die Nutzlast rapide abnimmt. Wir kennen das vom Space Shuttle, bei dem rund 105 t den Orbit erreichten, aber nur 27,5 t Nutzlast waren. Schon zur ISS nahm die Nutzlast auf 16 t ab, und die ISS ist gerade einmal 200 km höher als der niedrigste Orbit. Maximal hat das Space Shuttle mit dem 11 t schweren Hubble Space Telescope 600 km Höhe erreicht.
Das Zweite, was man vom Space Shuttle lernen kann, ist: Solche wiederverwendbaren Gefährte haben Übergewicht. Das Space Shuttle sollte einmal 68 t wiegen. Real lagen die Fähren zwischen 78 t und 82 t. Man konnte zwar durch Optimierungen während des Einsatzes die Nutzlast um 8 t anheben, lag so aber immer noch unter den ursprünglichen Planungen von 29,5 t. Beide Faktoren wirken in die gleiche Richtung und verstärken sich.
Als ich auf den schon erwähnten Artikel von F. P. W. hingewiesen wurde, habe ich einem Mailschreiber eine URL zum Suchen in alten Blogs geschickt und bin auf diesen wieder gestoßen. Darin steckt eine Meldung von Elon Musk, dass Starship V1 200 t wiegt und nur 20 t Nutzlast hat (also die gleiche Orbitmasse wie 120 t + 100 t Nutzlast). Ich habe das auch später durch Rechnung verifiziert.
Irgendwie scheint das nicht zu SpaceX durchgedrungen zu sein. Denn nach dem Abschluss der Testflüge von Starship V1 publizierte die Firma diese Grafik:
Also: Ein Starship V1 hat praktisch keine Nutzlast. Aber das Starship V2, das 14,4 % mehr Treibstoff aufnimmt, kommt gleich auf 100 t! Und beim Starship V3 mit 41,4 % mehr Treibstoff als Starship V1 sind es dann 200 t. Bei SpaceX muss Jesus unter Vertrag sein, denn das sind echte Wunder!
Bemühen wir die Physik. Nach der Raketengrundgleichung errechnet sich die Endgeschwindigkeit einer Rakete nach:
v=Isp⋅ln(Vollmasse/Brennschlussmasse)
Isp = Ausströmgeschwindigkeit der Gase an der Düse.
V für den Orbit ist konstant
Die Ausströmgeschwindigkeit der Gase vom Raptor ist auch konstant oder eher leicht sinkend bei zukünftigen Generationen (siehe letzter Teil).
Die Leermasse enthält auch die Nutzlast, Treibstoffreste, die Vollmasse enthält auch den Treibstoff und bei Unterstufen auch beide Angaben die Oberstufen. So kann ich bei gleichem Verhältnis Voll/Leermasse die Orbitmasse linear zum Treibstoff steigern. Also: Wenn 14 % mehr Treibstoff zugeladen werden, so steigt die Orbitmasse um 14 % und entsprechend um 41 % beim Starship V3. Wenn das Starship nicht schwerer wird (unwahrscheinlich, weil größere Tanks auch weiteres Leergewicht bedeuten), so kann im günstigsten Fall das Orbitgewicht beim Starship V2 von 220 t auf 251 t steigen, die Nutzlast also auf 51 t, und beim Starship V3 auf 310 t, Nutzlast dann 90 t.
Irgendwie scheint man bei SpaceX dann beim Starship V2 gemerkt zu haben, dass Elon Musk Jesus wieder rausgeschmissen hat, denn nach Abschluss von Starship V2 veröffentlichte SpaceX nun diese Grafik.
Nun ist aus Wein wieder Wasser geworden. Anstatt 100 t Nutzlast hat Starship V2 nur 35 t gehabt, woran man sieht, dass auch das Starship um 16 t schwerer wurde (wen wundert’s außer Elon Musk). Und derzeit sind wir bei Starship V3, das bisher maximal 37,6 t Nutzlast befördert hat. Rechnet man die Treibstoffreserven nach Anzeige im Video in Nutzlast um, so würde ich für diese Version auf etwa 55 t und nicht 100 t tippen.
Aber hey, Starship V4 wird’s nun endlich wuppen: 100 % mehr Nutzlast bei nur 20 % mehr Treibstoff. Damit das klappt, müsste das Starship bedeutend leichter werden. Bisher war immer das Gegenteil der Fall. Bei Starship V1 nahm die Resttreibstoffanzeige von 40 t auf 20 t zwischen IFT‑3 und IFT‑6 ab. Beim Starship V2 wurden bei IFT-7 noch 10 Starlink‑Dummys gestartet und zum Schluss noch 6 Starlink‑Dummys mitgeführt (mithin 6–8 t weniger Nutzlast). Und bei IFT‑12 wurden 22 Satelliten mitgeführt, bei IFT‑13 noch 20 Satelliten.
Das Starship ist das einzige Raketengefährt, dessen Nutzlast dauernd sinkt. Das ist logisch, denn jeder Fehlstart hatte zur Folge, dass SpaceX nachbessern musste. Leitungen, aus denen es ausgaste, mussten dicker werden. Triebwerke bekamen Schutzvorhänge damit eine Explosion nicht die anderen Triebwerke beschädigt. Der Stufenadapter, der abgeworfen werden sollte, blieb an der Superheavy. Für ausgefallene Triebwerke mussten Treibstoffreserven vorgesehen werden, weil die Gravitationsverluste durch eine längere Brennzeit ansteigen.
Real steigt durch 300 t mehr Treibstoff zwischen Starship V1 und Starship V2 (die genauso wichtigen Leermassen sind ja nach wie vor unbekannt, und da die Leermassen beim Starship nicht stimmen, dürften die Leermassen auch bei der Superheavy nicht stimmen) die Nutzlast beim Übergang Starship V1 → Starship V2 um 20 t. Starship V3 hat weitere 500 t mehr Treibstoff, was bei diesem Trend 33 t mehr Nutzlast oder etwa 68 t für V3 bedeutet. Das könnte klappen, wenn nicht wie bisher 20 t Resttreibstoff als Reserve bleiben. Es gibt immer bei Raketen unverbrauchte Reste, doch die liegen meist bei 0,5 % bis 1 %, also beim Starship bei 8 t bis 16 t. Momentan ist das Starship mit der Reserve bei 55 t Nutzlast.
Ob der Trend bei Starship V4 so weitergeht, bezweifle ich, denn bisher wurden beide Stufen kaum verlängert. Das heißt: Die Tanks waren schon auf die größere Treibstoffmenge ausgelegt, das addierte kein Leergewicht. Die Länge steig nur um 2 m zwischen V1 und V3. Bei Starship V4 ist das anders, Starship V4 wird 18 m länger. Dazu kommen drei weitere Raptoren, die ebenfalls Gewicht addieren. Ich schätze, das Leergewicht beider Stufen wird zusammen um 25 t bis 30 t ansteigen. Ich habe mal eine kleine Berechnung gemacht die auf 55 t Nutzlast bei V3 basiert und realistische Masse für verlängerte Tanks und Triebwerke addiert und komme für V4 auf etwa ~ 120 t Nutzlast, wenn nicht das Starship wie bisher im Laufe der Entwicklung schwerer wird.
Vor allem frage ich mich: zwischen der ersten und zweiten Folie liegt ein Jahr. 2025 wurden alle V2-Starts abgewickelt. Man dürfte also schon Ende 2024 das erste V2 startbereit gehabt haben. Wie kommt man auf eine Nutzlastvorhersage von 100 t? Wie kann man sich um bei der Steigerung um 433 % verhauen? Wie kann man eine Firma ernst nehmen, die seit es das Starship gibt, Leistungen reklamiert, die sie nicht mal ansatzweise erreicht. Gegenbeispiel: Ariane 64 wurde mit 10,5 t in den GTO angekündigt. Die ersten Tests erfolgten mit 11,5 t Nutzlast, seit diesem Halbjahr steht eine verbesserte Version mit 12,5 t Nutzlast zur Verfügung: Ariane 6 + 20 % mehr Nutzlast, SpaceX -433 % Nutzlast ….
So viel zu Teil 3. Auch dieser Teil ist etwas lang geworden. Im nun wirklich allerletzten Teil geht es um das Konzept, Coolness und die Ersatzreligion SpaceX. Freut euch auf morgen.
