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Im heutigen zweiten Teil über Tanks geht es um die Druckbeaufschlagung. Wie schon im ersten Teil erwähnt, stehen Tanks immer auf einem leichten Überdruck. Der liegt typisch bei 1–3 Bar. Das Starship hat sogar 6 Bar wegen der höheren Belastung bei der Landung. Vor dem Start sind die Tanks weitestgehend voll, nur etwa 1–2 % des Volumens entfällt auf das Druckgas. Wenn nun der Treibstoff verbraucht wird, nimmt das Volumen zu, und nach dem allgemeinen Gasgesetz nimmt der Druck proportional ab. Das bedeutet: Damit die Stabilität erhalten bleibt, muss Gas nachgefüllt werden, und dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, die ich diskutieren will.

Doch zuerst einige Grundlagen. Nach dem allgemeinen Gasgesetz hängt der Druck nur von der Molekülzahl ab, nicht der Molekülmasse. Ein Mol Wasserstoffgas (Molmasse 2) übt in einem gegebenen Volumen den gleichen Druck aus wie ein Mol Sauerstoffgas (Molmasse 32), der Sauerstoff wiegt aber 16‑mal so viel. Daher wird man möglichst ein Druckgas mit geringer Molmasse einsetzen. So ist Stickstoff, der zu Anfang der Raumfahrt als Druckgas noch üblich war, inzwischen ganz verschwunden. (bis auf eine Ausnahme, siehe unten) 1 m³ Stickstoff wiegt bei 1 Bar Druck immerhin 1,25 kg. Würde man die Superheavy mit Stickstoff unter Druck setzen, so wöge sie 30 t mehr.

Das zweite ist, dass der Druck auch linear von der Temperatur (absolut, also in Kelvin) abhängig ist. Sauerstoff verdampft z. B. bei 90 K. Leitet man 100 °C heißen Sauerstoff in die Tanks (293 K), so übt ein Mol den dreifachen Druck eines nur knapp über dem Siedepunkt befindlichen Gases von 97 K aus.

Daraus ergeben sich zwei Merkregeln: Das Gas sollte eine möglichst geringe Molmasse haben, und das Gas sollte möglichst vor dem Einleiten aufgeheizt werden (im Tank kühlt das Gas sich aber wieder ab).

Bevor ich aber zu den großen Tanks komme, zuerst einmal zu Tanks bei druckgeförderten Triebwerken. Bei diesen wird der Treibstoff durch den Tankdruck in das Triebwerk befördert. Typisch ist ein Tankdruck von 20 Bar. Damit sind nicht nur die Tanks schwerer, man braucht auch viel mehr Druckgas. Bei Oberstufen, aber auch beim ATV oder dem Artemis‑Servicemodul, ist dazu Helium als Druckgas üblich. Helium selbst ist das leichteste eingesetzte Gas. Es hat die Atommasse 4. Wasserstoff wäre mit Atommasse 2 noch leichter, aber Wasserstoffgas ist ein so kleines Molekül, dass Wasserstoffgas leicht durch Wände diffundieren kann, und speziell in die Tanks von Oxidatoren sollte man Wasserstoffgas nicht leiten, weil Wasserstoffgas mit den Oxidatoren reagieren kann.

Helium ist leicht. Aber man muss das Gas in einer Druckgasflasche speichern. Standard sind heute COPV (composite overwrapped pressure vessel). Das sind Druckgasflaschen, innen aus einer abdichtenden Aluminiumschicht, außen mit einer dem Druck standhaltenden CFK‑Schicht überzogen. Bei Helium wiegt die Druckgasflasche typisch das Dreifache des Inhalts. Das klingt nicht nur schlecht, das ist schlecht. Aber da die Masse der Flasche nur vom Druck und dem Volumen abhängt, nicht vom Gas, würde die Flasche bei Sauerstoff genauso viel wiegen, nur der Inhalt wiegt achtmal mehr.

Dieser Tatsache ist zu verdanken, dass Drcukgas-Xenontanks (Atommasse 131,3) so günstig abschneiden. Ein L‑XTA/900‑Tank von MT Aerospace hat ein Volumen von 900 Litern, nimmt bei 187 Bar Betriebsdruck bis zu 985 kg Xenon auf und wiegt selbst nur 85 kg. Würde man Helium tanken, so würden aber nur 30 kg hineingehen.

Das Helium wird durch ein Ventil expandiert und gleicht den absinkenden Druck im Tank aus. Diese Methode ist auch bei größeren Raketen üblich. Bei Ariane 5 sieht man an der Unterseite der Zentralstufe eine runde Heliumdruckgasflasche. Das Helium wird für die Aufrechterhaltung des Drucks im Sauerstofftank genutzt. Beim Wasserstofftank nutzt man am Triebwerk verdampfenden Wasserstoff. Warum nicht so beim Sauerstoff? Ganz einfach: Sauerstoff hat Atommasse 32, Helium 4. Selbst mit dem Gewicht der Druckgasflasche spart man so Gewicht ein. Ariane 5 ist noch ein Vertreter der auf maximale Nutzlast, weniger auf Kosten optimierten Raketen. Heliumdruckgasflaschen werden beim Sauerstoff noch immer häufig eingesetzt.

Zurück zu Tanks unter hohem Druck. Bei Satelliten, die anders als Oberstufen Jahrzehnte aktiv sind, hat sich ein anderes Verfahren eingebürgert. Dort wird in den Tank eine Gummimembran eingezogen. Beim Start ist der Tank nur zu zwei Dritteln oder zur Hälfte gefüllt. Der Rest ist mit Druckgas gefüllt. Die Membran wird so gegen den Treibstoff gedrückt. So kann in der Schwerelosigkeit keine Gasblase im Treibstoff entstehen, die in die Leitungen gerät und zu Problemen im Triebwerk führt. Zudem wird der Treibstoff so in die Leitungen gedrückt, sonst würde der Treibstoff unter Schwerelosigkeit eine mitten im Tank schwebende Kugel bilden.

Der Preis: Man nutzt einen Teil des Volumens des Tanks nicht, die Tanks sind sowieso erheblich schwerer als Tanks großer Stufen, der Innendruck ist schließlich etwa zehnmal höher. Und: Da der Schub und auch der spezifische Impuls vom Brennkammerdruck abhängen und der Brennkammerdruck parallel zum Tankdruck sinkt, nimmt die Performance des Triebwerks ab. Aber die Methode ist sehr zuverlässig und funktioniert über Jahre hinweg.

Kommen wir zu den großen Tanks. Hier gibt es drei große Technologien:

• Nutze ein inertes Gas
• Nutze die Treibstoffe als Druckgas
• Nutze die Verbrennungsprodukte als Druckgas

Helium ist ein Beispiel für die Nutzung eines inerten Gases. Stickstoff wurde früher genutzt. Stickstoff ist zwar siebenmal schwerer als Helium, aber viel billiger. Bei der ersten Stufe, wo das Mehrgewicht nicht so auf die Nutzlast durchschlägt, war das tolerabel. Wie bei der Explosion eines COPV bekannt wurde, verwendet aber auch SpaceX noch Stickstoff, und zwar im Starship. Das muss anscheinend enorm billig herstellbar sein, auch wenn dann die Nutzlast minimal ist. Dafür spricht auch, dass die Tanks aus Stahl sind.

Die Treibstoffe als Druckgas kann man nutzen, wenn die Treibstoffe verflüssigte Gase sind. Das sind LH₂, LOX, LNG, aber auch N₂O₄. Stickstofftetroxid verdampft schon bei 28 Grad Celsius, nur wenig über Zimmertemperatur. Die beim Start einer Ariane 1–4 abfallenden Paneele sollen nicht die dritte Stufe mit kryogenen Treibstoffen schützen – diese Stufe hat eine fest angebrachte Isolationsschicht. Die Paneele befinden sich an der zweiten Stufe am NTO‑Tank. In Französisch‑Guayana kann es durchaus wärmer als 28 Grad Celsius werden.

Man leitet bei dieser Methode einen Teil des Treibstoffs aus dem Hauptstrom an einen Punkt, wo der Treibstoff verdampft – den Gasgenerator oder das Triebwerk oder die Düse. Das Gas leitet man dann einfach zurück in den Tank. Das Gas hat so eine hohe Temperatur, und das Gas wird im Tank auch nicht mehr kondensieren, denn dazu müsste das Gas dem Treibstoff Energie entziehen – Wasserdampf kondensiert ja auch nicht über einer Wasseroberfläche und diese kühlt ab, sondern umgekehrt.

Diese Methode ist Standard beim Wasserstoff, selbst bei Methan ist sie noch günstig: Vom Gewicht her ist Methan gleichwertig mit Helium, wenn man die Druckgasflasche hinzurechnet. Man spart aber ein weiteres System ein.

Die dritte Methode wurde zuerst bei den Raketen eingeführt, an deren Konstruktion Karl Heinz Bringer beteiligt war, denn Karl Heinz Bringer hatte einen neuartigen Gasgenerator entwickelt. Der Gasgenerator (wir kommen noch beim Teil über Triebwerke darauf zurück) ist ein Subsystem des Triebwerks. Der Gasgenerator verbrennt die Treibstoffe, aber einen Teil im Überschuss, so wird die Temperatur des Gases begrenzt, und der Gasgenerator muss nicht gekühlt werden. Das Gas treibt dann die Turbopumpe an.

Bringers Gasgenerator verbrannte den Treibstoff im optimalen Verhältnis, sparte also Treibstoff ein. Damit der Gasgenerator nicht durchbrannte, wurde Wasser aus einem externen Tank hinzugegeben. Das Produkt: Wasserdampf mit kleinen Mengen an Kohlendioxid und Stickstoff. Dieses Gas kann man sowohl für die Druckbeaufschlagung des Hydrazintanks wie des NTO‑Tanks nutzen – alle Raketen, an denen Karl Heinz Bringer mitarbeitete, hatten diese Treibstoffkombination. Das spart Geld ein, denn Wasser ist viel billiger als Hydrazin oder NTO.

Woanders wurde diese Methode aber selten eingesetzt. Bis vor wenigen Jahren eine Firma sie „wiederentdeckte“: SpaceX. Obwohl beide Stufen kryogene Treibstoffe nutzen, die man problemlos am Triebwerk erwärmen und zurückführen kann. Angeblich soll das Triebwerk „clean“ aussehen mit möglichst wenigen Leitungen. Hier wird ein Teil der Gase des Vorbrenners, das Gegenstück zum Gasgenerator beim Hauptstromverfahren zurück in die Tanks geleitet.

Der Unterschied: Leitet man Wasserdampf in einen Hydrazin/UDMH‑Tank ein, so kondensiert zwar ein Teil des Wassers, aber das Wasser reagiert nicht mit den Treibstoffen, und diese Treibstoffe sind über 20 Grad Celsius warm. Beim NTO reagiert das Wasser mit dem NTO und bildet Salpetersäure, Salpetersäure funktioniert als Oxidator aber genauso gut wie das NTO. Chemisch ist NTO nur Salpetersäure, der man das Wasser entzog.

Anders sieht es aus, wenn man Wasserdampf in einen –183 Grad Celsius kalten Sauerstofftank leitet. Dort bildet sich Eis. Gerät das Eis in die Treibstoffleitungen, so kann das Eis den Eingang zur LOX‑Turbopumpe verstopfen, und die LOX‑Turbopumpe schaltet sich und das Triebwerk ab. Oder wenn es dumm läuft, schafft die LOX‑Turbopumpe das nicht mehr und explodiert, und damit meist auch das Triebwerk.

Alle Ausfälle von Raptor‑Triebwerken seit Testflug 1 – immerhin 84 Ausfälle (alle Zündungen zusammengerechnet) – haben diese Ursache. Jede 11. Zündung schlägt fehl, dieser Prozentsatz ist seit IFT‑9 relativ konstant. Auch beim Startabbruch für IFT‑13 war dies die Ursache. In vier Triebwerken gab es noch Wasser von früheren Zündungen, das durch das Vorkühlen der Triebwerke zu Eis wurde und zum Abschalten der Turbopumpen führte. Zwei von vier Triebwerken musste man danach sogar austauschen, was für Beschädigungen spricht.

Das lässt dann doch an der Kompetenz der Ingenieure zweifeln. Denn dass Wasser bei –183 Grad Celsius zu Eis wird, ist jetzt nicht so schwer zu begreifen. Seit das bei IFT‑1 vorkam, hat man einiges versucht, um das Problem zu lösen, mit beschränktem Erfolg. So hat man Siebe in die Treibstoffleitungen eingebaut und einen Diffusor vorgeschaltet, der verhindern soll, dass der Dampf auf die Tankwand trifft. Aber dass man das Problem komplett löst, indem man einfach den Treibstoff am Triebwerk verdampft und getrennt in die Tanks zurückleitet, kam nicht in Frage.

Eine Methode, die ich für sinnvoll halte, aber nirgendwo eingesetzt habe, ist diese: Methan kann man auch bei -162 Grad Celsius verflüssigen. Methan verdampft bei –82 Grad Celsius. Man kann so Methan in einem isolierten leichten Flüssigtank lagern, am Triebwerk verdampfen und damit folgende Treibstoffe druckbeaufschlagen: Hydrazin und Derivate, RP‑1 und Propan. Gasförmiges Methan hat man bei der Sea Dragon für den RP‑1‑Tank vorgeschlagen.

SpaceX und Tankdruck

Wie schon in der Einleitung zum ersten Beitrag geschrieben: Die Druckbeaufschlagung von Tanks ist jetzt nicht das, was man sich als Rocket‑Science vorstellt. Die Kesselformel wurde in ihrer heutigen physikalischen Kernform erstmals am 22. Februar 1825 von dem englischen Mathematiker und Physiker Peter Barlow formuliert. Peter Barlow stellte die Formel im Rahmen seiner Untersuchungen zur Materialfestigkeit vor. Im englischsprachigen Raum ist die Gleichung daher bis heute als „Barlow’s formula“ bekannt.

Wenn man also im 21. Jahrhundert damit Probleme hat, dann mutet das doch seltsam an. Bis zum Auftauchen von SpaceX waren alle bekannten Fälle von Problemen mit der Druckbeaufschlagung in den Fünfziger‑ und frühen 60‑er‑Jahren verortet. Zwei Fälle von kollabierenden Atlas, die als Träger genutzt wurden, sind bekannt. Nach dem Ausmustern kollabierten noch Exemplare, die jahrzehntelang in Museen standen, weil man die Aggregate für die Druckbeaufschlagung nicht wartete. Das ist aber nicht vergleichbar mit dem Einsatzspektrum, bei dem eine Atlas maximal fünf Jahre unter Druck sein musste, als Trägerrakete eher Wochen oder Monate.

Demgegenüber hat SpaceX inzwischen eine ganze Reihe von Vorfällen angesammelt, die alle mit der Druckbeaufschlagung zu tun haben:

Am 27. 6. 2015 explodierte eine Falcon 9 139 Sekunden nach dem Abheben. Eine Heliumdruckgasflasche hatte sich aus der Verankerung gelöst, setzte das Helium frei, wodurch die Oberstufe explodierte. Da die Nutzlast der NASA‑Versorgungsflug CRS‑7 war, gibt es hier einen unabhängigen Untersuchungsbericht. Der Untersuchungsbericht stellte fest, dass eine Strebe gebrochen war. SpaceX hatte anstatt Space‑Grade‑Streben billigere Industrial‑Grade‑Streben verwendet. Aushalten sollte die Strebe eine Kraft von 10.000 lbf, sie brach bei 2.000 lbf.

Am 1. 9. 2026 explodierte eine Falcon 9 mit dem Satelliten Amos‑6 bei einem Prelaunch‑Testcountdown. Ursache nach SpaceX waren „Beulen“ in der Umwicklung des COPV, wodurch es zu Rissen kam und flüssiger Sauerstoff eindringen konnte, der dann durch Reibung sich entzündete.

Am 28.2.2020 explodierte der erste Starship Prototyp SN1 bei einer Druckbeaufschlagung mit Stickstoff.

Weniger als zwei Monate später erwischte es am 5.4.2020 das Starship SN2. Erneut bei einem Test. Diesmal wurde Treibstoff zugelassen. Zuerst gab es im unteren Methantank Falten, dann kollabierte der obere Teil. Nach Elon Musk hat man ein redundantes System für die Druckbeaufschlagung, dieses aber falsch eingestellt, sodass der Druck im oberen LOX‑Tank zu gering war.

Am 18. 6. 2025 explodierte das Starship SN36 zwischen den Flügen IFT‑10 und IFT‑11 bei einem Prelaunch‑Test auf der Starbase. Ursprünglich sollte SN36 bei IFT‑11 ins All starten. Später gab SpaceX an, dass eine COPV‑Druckgasflasche explodiert sei. Ab jetzt werde man die Flaschen vor der Installation überprüfen, stand etwas verklausuliert in der Erklärung. Die Explosion führte dazu das nur fünf V2 Starships gestartet wurde und die schon gefertigte SuperHeavy Nr. 17 verschrottet wurde.

Am 21. November 2025 explodierte dann zur Abwechslung mal eine Superheavy, die Nummer 18, ebenfalls bei einem Test auf der Starbase. SpaceX teilte in einem Beitrag auf X mit, dass „Drucktests am Gassystem“ durchgeführt wurden, als sich die Explosion ereignete. Was genau die Explosion auslöste, ist nicht bekannt. SN18 wäre die erste Superheavy der V3 gewesen und für IFT-12 vorgesehen.

Die Firma hat also insgesamt zwei Falcon 9‑Raketen und vier Starships durch Vorfälle mit Druckgas verloren. Das ist schon bemerkenswert, vor allem beim Starship, denn bei den Falcon gab es in den letzten zehn Jahren ja keine Vorfälle mehr. Dagegen gingen bisher jedes dreizehnte Starship durch Explosionen bei Prelaunchtests verloren, berücksichtigt man, dass etliche Starships für Tests gebaut wurden, dann aber verschrottet wurden, sieht die Bilanz noch schlechter aus.

Wenn man sich fragt, warum das Starship eine so geringe Nutzlast hat – die wenigen Details, die es gibt, liefern Hinweise. So kollabierte ja der erste Prototyp bei mangelndem Innendruck, das dürfte bei der Wandstärke, die in der Wikipedia steht, nicht passieren, die Wand ist gemessen am Durchmesser über fünfmal dicker als bei der nur durch Innendruck stabilisierten Atlas. Augenscheinlich wurde seit SN-1 nachgebessert und die Wand wurde dicker, das erhöht aber das Gewicht und senkt die Nutzlast.

Das COPV, das bei SN‑36 explodierte, wurde mit Stickstoff beladen, nicht mit dem siebenmal leichteren Helium. Spart Geld, senkt aber die Nutzlast, denn die Flasche wird in den Orbit und zurück gebracht.

Das Hauptproblem ist aber ein anderes: Es muss billig sein (Industrial‑Grade‑Streben, Stickstoff anstatt Helium), und man kontrolliert nicht. Erst wenn etwas passiert, werden Prüfungen vor dem Einbau vorgenommen. So arbeitet nicht eine Firma die an der Börse derzeit rund 1.400 Mrd. Dollar wert ist. So eine Vorgehensweise würde ich eher von einer Raumfahrt-Klitsche erwarten.