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Dies ist der zweite Teil des Artikels, denn ihr komplett auch auf der Website findet. Der erste Teil gibt einen Rückblick auf die Entwicklung von V1 bis V3 und beschäftigt sich vor allem mit den fantastischen Impulsen die SpaceX reklamiert. In diesem Teil geht es um die Leermasse, Abschätzung der realen Nutzlast mit und ohne Wiederverwendung.

Noch schwerer wird es bei der für die Nutzlast so wichtigen Leermasse. Alles, was es dazu gab, wurde lange vor dem ersten Teststart veröffentlicht. Die Treibstoffe sind in der Folie zu finden; für Starship V1 decken sie sich mit den Angaben von Musk 2021/2022. Damals sprach Musk von einer Leermasse des Starships von 120 t und einer Brennschlussmasse der Super Heavy von 200 t, die 20 t Treibstoffreste enthält. Aufgrund der gleichen Tankform sollte auch Starship V1 20 t Resttreibstoffe enthalten. Mit dieser Größe (30 t Resttreibstoff) rechnet auch das DLR. Das DLR nimmt 319 t Leermasse für die Super Heavy und 126 t für das Starship an und kommt zu Nutzlasten von 59 t für Starship V1 und 115 t für Starship V2. Zu berücksichtigen ist, dass der Artikel nach IFT-4 entstand; dies ist der letzte erwähnte Teststart. Damals war Starship V2 das heutige Starship V3.

Mein Ansatz

Bisher habe ich mit Erfolg die Nutzlasten für Starship V1 und Starship V2 vorhergesagt. Die Methode ist relativ einfach: In den Videos von SpaceX ist die Treibstoffanzeige eingeblendet. So kann ich leicht feststellen, wie viel Treibstoff noch bei der Super Heavy in den Tanks ist, wenn die Abtrennung stattfindet. Die suborbitale Bahn hat fast die gleiche Geschwindigkeit wie ein Orbit, vereinfacht kann man also sagen, dass ein Starship mit nur etwas weniger Treibstoff einen Orbit erreicht. Diesen Resttreibstoff muss ich bei meiner Rechnung, die nur einen orbitalen Pfad umfasst, zur Leermasse hinzurechnen. Nach mittlerweile 13 Starts bin ich mir sicher, dass ein Teil des Resttreibstoffs nicht nutzbar ist, denn die Menge betrug immer mindestens 20 t. Dieser Wert entspricht auch der Angabe von Musk über den Resttreibstoff der Super Heavy. Wäre der Resttreibstoff nutzbar, so hätte SpaceX bei den Starship-V2-Testflügen nicht immer weniger Starlink-Simulatoren mitgeführt, während der Resttreibstoff konstant blieb. Bei Starship V1 sank der Resttreibstoff dagegen zwischen IFT-4 und IFT-6 von 40 auf 20 t ab.

Ich muss dann nur noch das Starship im Gewicht so lange erhöhen, bis es zu den SpaceX-Angaben für die Nutzlast passt. Die Trockenmasse von 319 t der Super Heavy habe ich vom DLR übernommen, ebenso die spezifischen Impulse.

Für Starship V1 erhalte ich nach den Daten von IFT-6, dem letzten Testflug von Starship V1, eine Brennschlussmasse von 215 t für das Starship bei 15 t Nutzlast. Diese Brennschlussmasse enthält 20 t nicht nutzbare Treibstoffreste und 30 t Treibstoff zum Landen. Diese Menge geht aus der Größe der separaten Tanks für das Landen und den Deorbit hervor. Damit wiegt Starship V1 trocken 165 t und somit 45 t mehr als nach den Planungen. Die Masse von 215 t passt auch zu Elon Musks Angaben von 200 t für ein „Starship Mk I“, wenn man berücksichtigt, dass die Nutzlast zwischen IFT-4 und IFT-6 absank.

Beim Starship V2 konnte ich die Abnahme der Nutzlastmasse sogar beobachten: Die Zahl der Starlink-Simulatoren nahm von IFT-7 zu IFT-11 von 10 Stück auf 6 ab. Da jeder Simulator nach der bekannten Nutzlast von IFT-12 rund 1,82 t wiegt, lag die Nutzlast hier bei 10,92 bis 18,2 t. Der Resttreibstoff lag bei den drei Flügen, die einen Orbit erreichten, IFT-9 bis IFT-11, bei rund 60 t und damit deutlich höher als bei Starship V1. So ist relativ schwer zu verstehen, warum die Zahl der Simulatoren abnimmt. Eine für mich plausible Erklärung ist, dass sich SpaceX so gegen Ausfälle der Raptoren, die bei praktisch jedem Flug vorkamen, absichern will. Sie führten ja auch bei IFT-7 und IFT-8 zum Totalverlust. Denn dann verlängert sich die Zeit, bis der Orbit erreicht wird, und die Gravitationsverluste steigen an. Bei einer angenommenen Nutzlast von 35 t für IFT-11 bleiben rund 35 t Treibstoff als Sicherheitsreserve.

Während der Erprobung von Starship V2 wurde die Trajektorie steiler, erkennbar an der höheren Brennschlussgeschwindigkeit. Es musste aber mehr Resttreibstoff in den Tanks für den Boostback zurückgelassen werden, denn die Menge stieg von 340 t bei Starship V1 auf bis zu 410 t bei Starship V2. Starship V2 wiegt in meiner Simulation beim Brennschluss 183 t, also 32 t weniger als Starship V1. So gesehen ist der Nutzlastanstieg nicht durch mehr Treibstoff entstanden, da gleichzeitig die Gravitationsverluste durch mehr Treibstoff ansteigen. Man sieht aber den Effekt von eingesparter Masse in der Triebwerkssektion, die schon auf die Konfiguration von Starship V3 hinweist.

Ebenso ist die Resttreibstoffmenge der Super Heavy bei den Flügen angestiegen. Bei IFT-6, dem letzten Flug eines Starship V1, waren es noch 10,1 Prozent, bei IFT-11, dem letzten Starship V2, schon 12,5 Prozent und bei den ersten beiden Flügen des Starship V3 14 Prozent.

Bei Starship V3 wurde noch mehr Treibstoff in der Super Heavy zurückgelassen. Ich habe das Trockengewicht der Super Heavy gleich gelassen, da nach SpaceX-Angaben die Raptor 3 zwar leichter als die Raptor 2 sind, aber auch die Super Heavy länger ist. Zudem spielen bei rund 700 t Masse beim Abtrennen die maximal 7 t, die durch die Raptor 3 eingespart werden, keine Rolle. Der Resttreibstoff betrug bei IFT-12 59 t und bei IFT-13 63 t, also in etwa die gleiche Größenordnung wie bei IFT-9 bis IFT-11. Auch hier habe ich die spezifischen Impulse des DLR übernommen.

Hier die wesentlichen Daten der drei Versionen:

* mit 37,6 t Nutzlast, SpaceX reklamiert 100 t Nutzlast

** siehe unterer Absatz mit Erläuterungen zu den Annahmen.

Wenn SpaceX mit Starship V3 die 100 t Nutzlast erreichen will, muss die Brennschlussmasse des Starships auf 147,6 t gesenkt werden. Die Gesamtmasse von 248 t bei IFT-13 enthält sicher eine größere Sicherheitsreserve, wie dies auch bisher bei Flügen der Fall war, bei denen die Nutzlast 15 bis 20 t kleiner war als die ausgewiesene Leistung. Wenn die Masse des Starships die gleiche wie bei Starship V2 ist, so läge die realistische Nutzlast von Starship V3 bei etwa 65 t.

Das Starship V4

Mit dieser Simulation gehe ich nun an Starship V4. Die Super Heavy wird um 10 m länger, die Triebwerkszahl bleibt aber gleich. So gesehen müsste nur das Gewicht der Tanks steigen, das sind etwa 10 t. Aber auch das Starship wird schwerer, und das erhöht die strukturelle Belastung. Das addiert weitere 15 t Gewicht. Die Masse der Super Heavy habe ich daher mit 344 t trocken angesetzt, die Resttreibstoffe wie bei IFT-13 zu 14 Prozent.

Auch Starship V4 wird schwerer. Eine Verlängerung der Tanks um 9 m macht auch den Hitzeschutz proportional schwerer, und drei Triebwerke mehr bedeuten 50 Prozent Mehrgewicht. Gleich bleiben die Tankabschlüsse und die Nutzlastsektion. Ich habe hier 61 t Mehrgewicht, das sind 32 Prozent der Masse von Starship V3, angesetzt. Starship V4 wiegt dann 250 t zum Brennschluss. Für Starship V4 berechne ich eine Nutzlast von 90 t oder, anders gesagt und weil es aussagekräftiger ist: Die Orbitalmasse beträgt 340 t.

Schlussendlich ist alles Spekulation. SpaceX kann die Nutzlast erhöhen, wenn SpaceX den Anteil des Starships an der Orbitalmasse senkt. Bei Starship V2, für das die letzten bestätigten Nutzlastwerte vorliegen, lag der Anteil des Starships an der Orbitalmasse bei 183 t. Wenn Starship V4, wie von SpaceX „versprochen“, 200 t Nutzlast haben soll, dann darf Starship V4 nur 140 t wiegen, 43 t weniger als Starship V2 – trotz 50 Prozent mehr Treibstoff und 50 Prozent mehr Triebwerken. Das erscheint mir doch etwas ambitioniert. Meine Annahme mit den oben angegebenen Zuschlägen bei der Masse würde etwa 90 t Nutzlast transportieren, also gerade mal die Hälfte. Minimal würde ich als Zuschlag die Masse der Tankwände mit 9 t, des Hitzeschutzschilds mit 2 t und von drei Raptoren mit Subsystemen mit 8 t annehmen. Zusammen 18 t. Das wären zusammen mit den bestätigten 183 t von Starship V2 dann eine Mindestmasse von 202 t für das Starship V4. Das ergibt die zweite Zahl in der oberen Tabelle, die optimistische Abschätzung der Orbitmasse: 138 t Nutzlast.

Ich glaube kaum, dass SpaceX das Starship um 43 t leichter machen kann und gleichzeitig 50 Prozent mehr Treibstoff zuladen kann. Sie können noch etwas optimieren, so wurde bei Flug 3 im Auftrag der NASA ein Experiment durchgeführt bei dem eine der beiden Treibstoffkomponenten in den Header tank umgepumpt wurde. Wenn man zum Landen 30 t Treibstoff braucht und es 20 t Resttreibstoff gibt, dann könnte man einen Teil (sicher nicht den kompletten) Treibstoff umpumpen. Ich denke das ist gut für 10 bis 15 t Gewichtsreduktion. Aber ohne Resttreibstoff und Landetreibstoff der derzeit rund 50 t beträgt, wäre das Starship, wenn es 200 t Nutzlast transportieren soll trocken nur 90 t schwer, 30 t leichter als die optimistische Angabe von Elon Musk lange vor dem Start und 75 t leichter als ein V1-Starship trotz 50 % mehr Treibstoff und Triebwerken. Wie das gehen soll, bleibt ein Rätsel. Bei den Space Shuttles konnte man von der Columbia zur Discovery nur 4 t (von rund 80 t) Masse einsparen, danach nichts mehr. Ich kenne auch keine Rakete, die mehrfach verlängert wurde und dann leichter war als die erste Version. Wäre das so einfach, SpaceX hätte es ja gleich richtg machen können.

Vielmehr ist es doch so: Für Starship V1 wurden uns 100 t Nutzlast versprochen, Starship V1 hatte 15 t. Für Starship V2 wurden uns 100 t Nutzlast versprochen, das Starship V2 hatte 35 t. Für Starship V3 wurden uns 100 t Nutzlast versprochen, bisher transportiert hat Starship V3 37–38 t. Nun soll ein insgesamt um 21 Prozent schwereres Starship/Super-Heavy-System 100 Prozent mehr Nutzlast als Starship V3 bringen.

Meine Prognose: Das Starship V3 wird keine 100+ t Nutzlast bringen wie auf der Folie letztes Jahr versprochen. Und es wird auch keine 200 t Nutzlast für V4 geben. Vielmehr wird dieses Starship V4 die 100 t Nutzlast erreichen die SpaceX und Elon Musk für das V1 angekündigt haben, bei einer um 40 % höheren Nutzlastmasse.

Ohne Wiederverwendung

Ohne Wiederverwendung sieht einiges günstiger aus: Die Super Heavy kann ihren Treibstoff vollständig verbrauchen, und die höhere Spitzenbeschleunigung reduziert die Gravitationsverluste deutlich.

Beim Starship können der Hitzeschutzschild, der schon bei Starship V1 bis Starship V3 über 10 t wiegt, und 30 t Treibstoff zum Landen weggelassen werden. Das allein führt schon zu 40 t mehr Masse. Ich habe nur diese beiden Punkte berücksichtigt. Es gäbe noch andere Punkte, die aber nicht direkt im Gewicht angebbar sind. Ich komme unter diesen Randbedingungen zu folgenden Nutzlasten im nicht wiederverwendbaren Fall:

Das Starship V4 würde tatsächlich 250 t im nicht wiederverwendbaren Modus erreichen. Die Einsparung durch die Super Heavy ist relativ signifikant und weniger spekulativ als die beim Starship, da die Resttreibstoffmengen bekannt sind. Die Einsparungen durch die Super Heavy machen den größten Teil des Nutzlastgewinns aus. Allerdings stecken in der Super Heavy auch 33 Triebwerke und nicht nur die sechs bzw. neun Raptoren des Starships. Ein Verlust einer Super Heavy ist dadurch teurer, denn die Triebwerke sind bei LOX-Kohlenwasserstoff-Raketen der Hauptkostenfaktor.

Aufgrund der hohen Orbitalmasse ist der Gewinn sogar recht klein, denn die 76 t mehr Nutzlast beim V3 korrespondieren mit 511 t nicht genutztem Treibstoff nach der Physik gleichbedeutend mit einer 511 t höheren Trockenmasse. Das bedeutet 6,7 kg mehr Trockenmasse sind für 1 kg Nutzlastverlust verantwortlich, Normal wäre bei einer kleineren Oberstufe ein Wert von 3-5 kg.
Die hohe Trockenmasse führt auch zu einer rapiden Nutzlastannahme. Beispiel beim Starship V2 mit 5 t berechneter Nutzlast: In einen SSO von 700 km Höhe braucht man nur 700 m/s mehr als in den 200 km 28 Grad LEO den ich als Simulation genommen habe. Das reduziert die Orbitmasse um 81,8 %. Da aber von den 248 t nur 65 t Nutzlast sind geht die auf 20 t also weniger als ein dritte l zurück. Selbst beim Übergang von einem 28 Grad 200 km auf einen 53 Grad 300 km Orbit (Aussetzorbit für Starlink) sind es nur noch 50 t oder ein Drittel weniger. So könnte die Nicht-Wiederverwendung durchaus eine Option sein.