Probleme beim Crossfeeding

Immer mal wieder wird von den Herstellern Cross-Feeding als Möglichkeit zur Leistungssteigerung von Trägerraketen genannt. Wenn es aber um eine Realisierung geht, wird ganz schnell wieder zurückgerudert. Dabei ist die Treibstoffversorgung aus abwerfbaren Tanks schon lange üblich. Siehe Space Shuttle oder Breeze.

Das erste Problem ist, das der Treibstoff aus den Boostern gleichschnell verbraucht werden muss, damit der ganze Spaß nicht aus dem Gleichgewicht kommt. Bei der einfachsten Variante, einem gemeinsamen Leitungssystem, kommt es dann aber zu Problemen: Der Treibstoff fließt nicht nur zum Triebwerk, sondern sammelt sich auch in dem Tank, der am weitesten unten liegt. Günstig sind dann Raketen mit nur zwei Boostern, wie Delta 4 Heavy oder F9H. Da liegen sämtliche Tanks auf einer Linie. Beim Neigen kann dann die Rakete so gedreht werden, dass die Tanks immer auf gleicher Höhe liegen.

Bei mehr als zwei Boostern wie bei der Angara 5 kann man aber drehen wie man will, man bekommt bei geneigter Rakete nie alle Tanks auf gleiche Höhe. Dann ist ein gemeinsames Leitungssystem nicht möglich. Theoretisch könnte man auch bei der Angara 5 alle Stufen auf einer Linie anordnen. Dazu müssten zwei Booster statt an der Zentralstufe an den anderen beiden Boostern montiert werden. Was mechanisch aber recht ungünstig wäre. Die inneren Booster müssten dann auch noch die Kräfte von den äußeren Boostern auf die Zentralstufe übertragen. Die dafür verstärkte Struktur bringt dann zusätzliches Gewicht, so dass sich der Spaß eher nicht lohnt. Von den dazu nötigen Umbauten am Startkomplex ganz zu schweigen.

Einen Ausweg bieten Raketen mit mehreren Triebwerken wie die F9 oder Electron. Hier kann jedem Booster ein Triebwerk oder eine Gruppe von Triebwerken zugeordnet werden. Lässt sich die Anzahl der Triebwerke nicht glatt durch die Zahl der Booster teilen, kann das „unpassende“ Triebwerk schon beim Start aus der Zentralstufe versorgt werden.

Bei der F9H könnte dann jeder Booster 4 Triebwerke der Zentralstufe versorgen, und das 9. läuft mit Sprit aus dem eigenen Tank. Eine andere Möglichkeit ist die Aufteilung in drei Dreiergruppen. Bei zwei Boostern müssen dann eben drei Triebwerke mit eigenen Sprit laufen. Dafür ist dann eine Super Heavy mit drei Boostern möglich, bei der das Cross Feeding voll ausgereizt wird. Ob das bei der großen Triebwerkszahl sinnvoll ist, kann man sich allerdings streiten.

Denkbar wäre in der Zentralstufe auch ein Triebwerk mit mehreren Turbopumpen. Jede würde dann den Treibstoff aus einem Booster holen. Das wäre aber teurer, schwerer und weniger zuverlässig. Deshalb wurde so ein Triebwerk noch niemals gebaut. Und nur für die Zentralstufe eins neu zu entwickeln lohnt sich nicht. Da wäre es sinnvoller, mehrere kleine Triebwerke einzubauen. Besonders wenn es schon welche in der passenden Größe gibt.

Eine Alternative zum gemeinsamen Leitungssystem ist das Umpumpen von Treibstoff in die Zentralstufe. Es ist ja üblich, nach einiger Zeit die Triebwerke zu drosseln. Am einfachsten geht das, wenn die Turbopumpe weiter mit voller Leistung läuft, und nur die Zufuhr zur Brennkammer gedrosselt wird. Was nicht vom Triebwerk verbraucht wird fließt dann in die Tanks der Zentralstufe. Ideal ist das nicht, weil für das Triebwerk ein viel höherer Druck gebraucht wird als zum Umpumpen. Einen Haken hat das allerdings: Bei Triebwerke die mit dem Hauptstromverfahren arbeiten, ist das nicht möglich. Dann wäre zum Umpumpen eine extra Turbopumpe nötig. Das bedeutet nicht nur zusätzliches Gewicht, auch zusätzliche Kosten. Und eine Baugruppe mehr, die ausfallen kann. Zum Umpumpen mit niedrigem Druck wird relativ wenig Energie benötigt. Da wären durch Elektromotoren angetriebene Pumpen (wie in der Electron) eine mögliche Alternative.

Daraus folgt, dass die F9H die günstigsten Voraussetzungen für Crossfeeding bietet. Das wurde von Spacex auch mal genannt, in letzter Zeit ist allerdings nichts mehr davon zu hören. Warum sollte man auch die Nutzlast weiter steigern, wenn die schon größer ist als gebraucht wird? International geht ja der Trend eher zu geringerer Nutzlast, wie bei Ariane 6 oder den verkleinerten Proton-Versionen.

Durch nichts tun zum Mars

Durch nichts tun zum Mars,

und das auch noch ohne Geld? In letzter Zeit wird mal wieder so getan, als ob eine bemannte Marsexpedition nur ein Klacks wäre. Dabei wird völlig ignoriert, dass dazu viel mehr als nur der Transport zum Mars und zurück gehört. Für alles andere fehlen die Voraussetzungen, und es wird kaum etwas getan um das zu ändern.

Musks Marsprojekt setzt die Treibstoffproduktion auf dem Mars voraus. Das erfordert die Gewinnung von Wasser als Rohstoff, auch für die Gewinnung von Atemluft. Der erste Schritt dazu wäre eine gründliche Lagerstätten-Erkundung. Kenntnis der Abbau-Bedingungen, Wassergehalt und Verunreinigungen sind die Grundlage für die Entwicklung einer optimalen Förder- und Verarbeitungstechnologie. Aktueller Stand: Die für eine Lagerstätten-Erkundung nötigen Sonden existieren noch nicht einmal auf dem Papier.

Um sicherzugehen, daß auch wirklich Treibstoff in der nötigen Menge hergestellt werden kann, müßte eine vollautomatische Rohstoff-Förderung und eine Anlage zur Treibstoffproduktion schon mindestens ein Startfenster vor der Besatzung die Arbeit aufnehmen und dann jahrelang ohne Wartung und Reparaturen laufen. Und das unter Marsbedingungen. Beim gegenwärtigen Stand der Technik recht utopisch.

Das nächste Problem für eine wenigstens halbwegs autonome Basis ist die Energieversorgung. Kohle und Erdöl gibt es auf dem Mars nicht. Und selbst wenn fehlt der Sauerstoff zum Verbrennen. Für Windkraftanlagen ist die Atmosphäre zu dünn. Solarenergie kann kaum in den nötigen Mengen erzeugt werden, schon weil beim Mars nur noch etwa die Hälfte der Sonnenenergie wie bei der Erde ankommt. Und was wird bei Nacht? Schon für die Heizung der Gebäude ist gerade wenn die Sonne nicht scheint besonders viel Energie nötig. Für Energiespeicherung im großtechnischen Maßstab gibt es auf der Erde bis jetzt nur eine ausgereifte Lösung: Pumpspeicherwerke. Die erfordern aber große Mengen flüssiges Wasser, und das gibt es auf dem Mars nicht. Ein Ausweg könnte Kernfussion sein, aber auch da wird mehr gebremst als geforscht.

Grundvoraussetzung für eine Marskolonie ist eine autonome Versorgung mit Nahrung und Luft, denn wenn das alles zum Mars geschleppt werden muß wird es wirklich teuer. Versuche dazu wie Biosphäre 2 und 3 haben aber noch nicht mal richtig auf der Erde funktioniert. Anstatt weiterzuforschen wurden diese Projekte vorsichtshalber eingestellt. Mal abgesehen von der Frage, ob Pflanzen überhaupt mit der Marsgravitation klarkommen.

Bei einer ersten kleinen Expedition ginge es notfalls auch ohne, besonders wenn keine Landung erfolgen soll. Eine Besiedlung ist aber ohne die Produktion wenigstens der wichtigsten Versorgungsgüter vor Ort undenkbar.

Einige Probleme könnte eine rotierende Raumstation klären, mit der die Marsgravitation simmuliert werden könnte. Auch für die Besatzung liese sich so ein Marsflug simmulieren. Ein Langzeit-Aufenthalt auf der ISS wäre der „Hinflug“. Eine „Landung“ auf der Station mit Marsgravitation entspräche dem Aufenthalt auf dem Mars. Der „Rückflug“ wäre dann wieder auf der ISS möglich. Später könnte diese Station dann verwendet werden, um nach Langzeitflügen die Besatzung langsam wieder an die Gravitation zu gewöhnen. Aber wie sieht es in der Realität aus? Das (für diesen Zweck auch noch viel zu kleine) Zentrifugenmodul für die ISS verrottet in einem Museum.

Mit diesen Voraussetzungen werden Pläne wie Mars direct nur zu einer besonders teuren und umständlichen Form der aktiven Sterbehilfe.

Kurz zusammengefaßt: Musks Super-Marsrakete setzt eine funktionierende Infrastruktur auf dem Mars voraus. Die gibt es aber noch nicht mal auf dem Papier, und es wird auch absolut nichts getan um das zu ändern. Da kann sich Jeder selbst ausrechnen, wie realistisch der ganze Marsrummel ist.

Muß man auf dem Mars landen?

Alle Konzepte für bemannte Marsexpeditionen gehen davon aus, auf dem Mars zu landen. Aber ist das wirklich unbedingt nötig? Ich denke, zumindest in der Anfangszeit nicht. Eine bemannte Station auf einer Mars-Umlaufbahn wäre deutlich einfacher zu errichten und zu versorgen. Wobei man sich da eher an der Mir orientieren sollte, als an der ISS.
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Hybrid-Booster

Bei den gegenwärtig eingesetzten Boostern gibt es zwei Möglichkeiten: Mit festen oder flüssigen Treibstoffen. Beides hat Vor- und Nachteile. Booster mit festen Treibstoffen sind relativ billig. Bei flüssigen Treibstoffen besteht die Möglichkeit, einen Teil der Treibstoffe für das Triebwerk der zentralen Stufe abzuzweigen. Praktisch die Booster als abwerfbare Zusatztanks für die Zentralstufe nutzen. Beim Boosterabwurf sind dann die Tanks der Zentralstufe noch voll. Damit werden die Booster echt zu einer zusätzlichen Stufe, nicht nur zu einer halben. Dafür wird in jedem Booster ein recht teures Triebwerk gebraucht.
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Raketen die es geben könnte – Teil 6

Kommen wir zu neueren Raketen. Mit den Boostern der Ariane 5 und den Stufen der Vega läßt sich eine ganze Familie von Trägerraketen bauen. Nennen wir sie einfach Arve. (Abgeleitet von ARiane und VEga, den „Spendern“ der Teile.) Die kleinste Version besteht aus einem Ariane Booster und den beiden ersten Stufen der Vega.

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