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Eurostation

Einleitung

Node 2Die ISS wird später fertiggestellt werden, kleiner werden als geplant und es gibt eine Versorgungslücke nach Ausmustern der Raumfähren. In diesem Artikel will ich der Frage nachgehen, ob es Europa möglich wäre eine eigene Raumstation zu errichten, was würde diese kosten und wäre dies eine Alternative. Er unterscheidet sich in vielen Dingen von den anderen Artikeln dieser Rubrik, da ich auf dem aufbaue, was Europa entwickelt, was verfügbar ist und das Szenario so durchaus möglich wäre und, auch wenn es eine Überlegung von mir ist.

Die Ausgangssituation

Im Herbst 2002 startete die NASA eine Reihe von Konsultationen mit den Partnern bei der ISS. Der Grund: Sie wollte den Ausbau der Raumstation reduzieren. Die ISS war zu diesem Zeitpunkt schon 2 Jahre hinter dem Plan hinterher. Es wurden erheblich mehr Space Shuttle Flüge zum Aufbau benötigt, sie wurde teurer als geplant und es mussten schon Module und das Rettungsboot CRV gestrichen werden, da der neue Präsident G.W.Bush nicht den NASA Haushalt den neuen Anforderungen anpasste.

Die NASA plante eine Reduktion der Stammbesatzung auf 3 Personen, nur eine Person mehr als damals die Routinebesatzung war. Dies erlaubte es nicht nur Wohnmodule und Forschungsmodule zu streichen, sondern reduzierte auch drastisch den benötigten Strombedarf. Die NASA müsste nur noch eines weiteres Panel und die beiden Labormodule von Japan und der ESA starten. Für sie selbst hätte es wenig Auswirkungen, denn das (nach Kürzungen einzige) US-Labormodul war schon im All.

Das traf auf erbitterten Widerstand bei der ESA, denn die ISS benötigte für "Housekeeping" Operationen, also die Arbeit zum Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft 100 Arbeitsstunden pro Woche. Von 3 x 40 Arbeitsstunden bei drei Astronauten blieben dann nur noch 20 Arbeitsstunden für die Forschung übrig, die sich dann auf alle drei Labore aufteilen würden. Beim ursprünglichen Plan waren dagegen sieben Astronauten vorgesehen, die dann 280 Stunden, davon 180 für die Forschung pro Woche arbeiten würden - neunmal mehr als nach den neuen NASA Plänen.

Die Columbia Katastrophe

Auch wenn es paradox klingt: Der Verlust der Columbia war die Rettung für die ISS. Es fand nun eine Trotzreaktion der jamaikanischen Öffentlichkeit und bei der NASA statt ein "Jetzt erst recht!" - die ISS wird fertiggestellt werden, allerdings reduzierten die USA die Flüge. So entfällt ein US-Wohmnodul für die Besatzung, weshalb diese auf sechs reduziert wurde und ein Forschungsmodul welches von Japan für die NASA produziert wurde. Mindestens drei weitere russische Module waren schon damals gestrichen worden.

Node 3Was allerding neu aufkam, ist die Problematik der Versorgung. Im Januar 2004 wurde beschlossen die Space Shuttles nach dem Aufbau der ISS auszumustern. Nun gilt es zwei Dinge zu lösen: Die Frage wie die Mannschaften zur ISS kommen und die Frage wie die ISS mit Fracht (Treibstoffe, Wasser, Gase, Essen, Werkstoffe, Ersatzteile, Experimente) versorgt wird. Die erste Frage kann gelöst werden: Es gibt genügend Kopplungsplätze für zwei Sojus Kapseln, die dann auch sechs Kosmo-/Astronauten zur ISS bringen können. Es mag den USA zwar nicht gefallen, auf diesen russischen Dienst angewiesen zu sein, doch es gibt dazu keine Alternative. Es wurde zwar 2005 die Entwicklung der Orion-Raumkapsel und die Ares I Trägerrakete beschlossen, doch selbst nach dem ursprünglichen Plan hätten damit erst 2014 Astronauten zur ISS befördert werden können.

Eine zweite Problematik wurde lange Zeit vernachlässigt. Die Versorgung mit Fracht. Die ISS benötigt davon rund 42-45 t pro Jahr. Die nun häufigeren Starts der Sojus begrenzen Russlands Beitrag auf maximal 3-4 Progress Flüge, das sind rund 6,6 bis 8,8 t Fracht maximal pro Jahr.

Das europäische ATV ist leistungsfähig, es kann bis zu 7,7 t Fracht transportieren. Doch da Europas Betrag an der ISS sehr klein ist, wird nur alle 18 Monate ein Flug erfolgen.

Das gleiche gilt für das japanische HTV, das rund 5,5 t zur ISS transportiert. Es wird einmal pro Jahr starten um Japans Anteil an den Unterhaltskosten abzugelten.

Alle "Nicht-US" Transporte zusammen ergeben so maximal 19,4 t Fracht pro Jahr. Es fehlen also 22-25 t, dies ist der Anteil der USA. Erst im Jahre 2006, als die Problematik schon zwei Jahre lang existiert, vergab die NASA erste Förderaufträge im Rahmen des COTS Programmes an zwei Firmen, die absolute Newcomer im Raumfahrtbusiness waren und keine Erfahrung hatten: SpaceX und Rocketplane/Kistler. Davon wurde der Kontrakt zu Kistler bald wieder aufgelöst, als die Firma keine Fortschritte aufwies und 2007 erneut ausgeschrieben und dann an OSC vergeben.

Diese erste Welle umfasste nur Entwicklungsaufträge für Demonstrationsmissionen. Erst weitere zwei Jahre später, Ende 2008 wurden dann Beförderungsaufträge ausgeschrieben. Erneut bekamen die Aufträge SpaceX und OSC. Sie sollen von 2011-2014 jeweils 20 t zur ISS transportieren. Damit bleiben zwei Dinge offen: Zum einen ist zweifelhaft, ob schon 2011 dies möglich ist, da beide Firmen nun ihre Raumschiffe innerhalb von drei Jahren zur Einsatzreife bringen müssen - beides Neukonstruktionen auf noch zu entwickelnden Trägerraketen.

Selbst dann bleiben aber in diesen vier Jahren noch rund 50-60 t an Fracht die befördert werden müssten für die es aber keinen US-Transport gibt. Es gab zwar Offerten seitens Arianespace und der ESA dafür ATV zur Verfügung zu stellen, doch wurden diese bislang nicht angenommen. Dies wird auch nicht geschehen, da die NASA Politik zwar nun eine private, kommerzielle Versorgung der vorsieht, aber wie bei dem Transport von Satelliten nur US-Unternehmen zum Zuge kommen. Es scheint, als wäre die Versorgung der ISS der NASA nicht besonders wichtig, denn auf die Ausschreibungen bewarben sich auch die großen Raumfahrtkonzerne Boeing und Lockheed-Martin, welche Starts des ATV und HTV auf schon existierenden Trägerraketen (Atlas V und Delta IV) anboten. Diese Lösungen hätten schon vorhandene und erprobte Trägerraketen eingesetzt und hätten die Lücke schließen können. Sie kamen nicht zum Zuge, weshalb Kritiker das COTS Programm auch mehr als eine Subvention kleiner Raumfahrtfirmen wie SpaceX, OSC und Kistler ansehen.

Die Zukunft der ISS

CupolaGleichzeitig mit dem Ausmustern der Raumfähren wurde auch ein neues Raumfahrtprogramm, das "Constellation" Programm beschlossen. Dafür wird die Orion Kapsel entwickelt und nicht für den Transport von Mannschaften zur ISS. Da die Mittel dafür begrenzt sind, sah der NASA Plan von 2005 das Aufgeben der ISS im Jahre 2016, nach weniger als 6 Jahren Betrieb vor. Sowohl ESA, wie auch Jaxa und Roskomos wünschen eine Verlängerung dieser Frist bis 2020, können die ISS alleine aber nicht betrieben, weil die Mittel dafür fehlen. Sie müssten doppelt so viele Versorgungsflüge durchführen, ein System von Satelliten aufbauen um die Daten von der ISS an die Kontrollzentren zu senden und natürlich die Astronauten in den Orbit befördern.

Das Constellation Programm geriet 2009 ebenfalls in die Schlagzeilen. Es gab schon in den letzten Jahren zu wenige Mittel, weshalb sich der ganze Zeitplan gestreckt hat. So wird die erste Orionmission zur ISS nicht vor 2015 stattfinden und es kann seit, dass daraus 2016 wird, dann gibt es aber nach der derzeitigen Planung die ISS nicht mehr, weshalb Ares I und ISS Anpassungen der Orion Kapsel entfallen können. Das würde die Mittel frei machen um das Mondprogramm termingerecht durchzuführen. Es wäre aber auch nach Ansicht der Augustine Kommission, welche das Constellationprogramm und die Finanzierung untersuchte, nicht wünschenswert. In jedem Falle sind aber im derzeitigen (2009) NASA Haushalt keine Mittel für die ISS nach 2016 vorgesehen. Sofern also es keine Kehrtwendung in der US-Politik gibt steht das Schicksal der ISS in den Sternen.

Eine europäische Alternative

Das leitet mich über zu meinem Gedankenexperiment - Alle Grundprobleme der ISS - Versorgungsproblem, verzögerter Ausbau, Reduktion der Mannschaft und begrenzte Betriebsdauer sind seit 2002 im Ansatz, mit Sicherheit seit Anfang 2004 bekannt. Das wäre Zeit genug für eine europäische Alternative die dann etwa zeitgleich zum geplanten Fertigstellung der ISS (derzeit geplant für September 2010) zur Verfügung stehen würde.

Ich will diese hier aufzeigen und die notwendigen Investitionen und Probleme aufzeigen. Ziel sollte es sein, eine Raumstation aus den Bestandteilen zu bauen, die man für die ISS entwickelt hat. Natürlich wird auch Europa auf Russland zurückgreifen müssen. Sonst ist es nicht finanzierbar. Ich will auch eine Option für Japan anbieten, das dieselben Probleme wie die ESA hat - es hat viel in die ISS investiert und muss nun noch mehr Einschränkungen hinnehmen als wie ursprünglich geplant.

Russland hat eine Sonderrolle: Europa kann dies alleine nicht finanzieren, wenn nicht auf russische Elemente zurückgegriffen wird. EADS hat zwar Pläne für den Ausbau des ATV in zwei Stufen zu einem Vehikel, das im ersten Schritt auch Fracht zur Erde zurückbringt und im zweiten Schritt bis zu 5 Astronauten zur ISS. Doch diese würden 9 Jahre zur Umsetzung kosten und nach gemäßigten Schätzungen rund 4 Milliarden Euro kosten. Die Verwendung von russischen Sojus Kapseln ist deutlich preiswerter und für die Ankopplung dieser und des ATV wird der Zentralblock (FGB) mit den Kopplungsadaptern benötigt. Diese können aber (wie dies heute die NASA schon bei den Sojus Flügen und beim Sarja Modul tat) in Russland gekauft werden. Die Finanzlage Russlands lässt eine weitergehende Beteiligung nicht zu: Sie können schon ihre Module für die ISS nicht bauen und vermieten Kosmonautensitze an "Weltraumtouristen"

Die europäischen Elemente für die ISS

Ich habe diese Elemente nicht nur deswegen vorgestellt, weil daraus die Raumstation entstehen soll, sondern auch um den in der Öffentlichkeit weitgehend unbekannten Beitrag Europas an der Raumstation hervorzuheben. Die ISS wird im Endausbau aus acht Druckmodulen bestehen (dazu kommen noch einige kleinere Module unter Druck als Verbindungsadapter oder Luftschleusen). Von diesen acht stammen je zwei aus Russland und den USA, eines aus Japan und drei aus Europa. Europa hat also am meisten zum Wohnraum der ISS beigetragen. Wenn (wie Mitte 2009) geplant, das MPLM "Donatello" dauerhaft an der ISS angekoppelt bleiben wird, bestehen 44 % der Druckmodule aus Europa - genug um damit eine eigene Raumstation zu bauen.

Columbus an Node 2Was wird noch benötigt?

Kann man aus diesen vier europäischen Modulen, eventuell zwei MPLM und dem Kran eine Raumstation bauen? Natürlich nicht. Es werden noch zwei weitere Komponenten benötigt. Das eine ist der FGB "Swesda". Er ist die Steuerzentrale der ISS, Mannschaftsquartier und er enthält die Steuertriebwerke. An ihm koppeln ATV und Progress und Sojus an. Ein ähnliches Modul, die "Sarja" wurde von der NASA für 250 Millionen Dollar gekauft. Der FGB hat vier Kopplungsadapter. Damit kann ein ATV, zwei Progress oder Sojus ankoppeln. An den vierten wird das Verbindungsteil PMA-1 angebracht, das rund 1,6 t wiegt und zwischen russischen und amerikanischen Adaptern vermittelt. An ihm können dann die europäischen Knoten angebracht werden. Das FGB wiegt 19,1 t ist 13,10 m lang, hat einen maximalen Durchmesser von 4,15 m und etwa 100 m³ Wohnvolumen.

Lediglich das ATV und Swesda haben Solarzellen zur Energieversorgung. Es muss also noch eine Stromversorgung geben. Die einfachste Lösung ist es an den beiden MPLM, die jeweils die leichtesten Module sind, noch Solarzellenausleger und Radiatoren anzubringen und mit diesen zu starten.

Der Mannschaftstransport sollte mit gekauften Sojus Kapseln erfolgen, der Frachttransport mit dem ATV.

Startanlagen, Infrastruktur am Boden und im Weltall

Die europäische Raumstation muss nicht die gleiche Bahn wie die ISS einnehmen. Diese wurde gewählt, damit die Space Shuttle sie leicht erreichen können und Russland auch. Dafür musste sie eine Bahnneigung von 52 Grad aufweisen und erdnah sein. Europa kann die schweren Elemente mit der Ariane 5 von Kourou aus starten und Progress und Sojus Kapseln ebenso von Kourou aus. Wird ein Orbit mit einer Inklination von 7 Grad angestrebt, so ist die Geschwindigkeit, die erreicht werden muss, um 176 m/s kleiner. Damit steigt die Nutzlast einer Ariane 5 ES von 20,6 auf 22,2 t und die einer Sojus von 7800 auf 8500 kg.

Die dann nur um 7 Grad geneigte Bahn hat auch noch operationelle Vorteile. Die ESA hat Bodenstationen in Kourou, Ascension Island, Libreville und Malindi zur Verfolgung der Ariane 5 Aufstiegsbahn. Diese Stationen können nun auch Daten der Raumstation empfangen und decken dabei rund ein Drittel der Umlaufbahn ab. Manövriert man den Datenrelay Satelliten Artemis auf eine Position bei 160-170 Grad West, so kann er die andere Hälfte der Bahn abdecken, so dass eine Datenverbindung über 80 % der Umlaufszeit möglich ist.

Die Station sollte zur Nutzlastmaximierung im erdnahen Orbit aufgebaut werden - Mit einer 7 Grad Bahn in rund 350 km Höhe. Danach wird sie soweit angehoben, dass die Sojus/ATV Flüge von Kourou aus diesselbe Nutzlast haben wie zur ISS. Der Vorteil - unten weiter ausgeführt - ist eine rapide Reduktion der transportieren Transportgüter.

Aufbau

ERAEtwas schwierig gestaltet sich der Aufbau. Alle Module, mit Ausnahme des ATV, sind für eine Kopplung durch Astronauten aus dem Nutzlastraum des Space Shuttle ausgelegt. Sie haben keinen aktiven Antrieb und kein automatisches Koppelsystem. Sie sind in der Regel zu schwer, um sie mit dem Antriebsteil des ATV anzukoppeln und wenn, dann sind sie am falschen Teil der Raumstation, dem russischen Teil. Doch es geht. Es muss nur eine Besatzung an Bord sein, wobei in der Anfangsphase (bis die Cupola und der Kran an Bord sind) ein Astronaut innerhalb der Station die Ankopplung überwacht und zwei mit der Sojus abkoppeln und dies von außen überwachen. Damit gibt es die Sicht auf den Kopplungsdapter von zwei Positionen aus. Steht die Cupola zur Verfügung, so ist der weitere Aufbau einfacher, da nun die Astronauten die Übersicht haben und mit dem Kran aktiv ein Modul einfangen und andocken können. Ohne aktive Lageregelungsmöglichkeiten muss immer de Raumstation der aktive Teil sein.

So könnte der Aufbau ablaufen:

Damit wäre die Station fertig. Sie hat dann folgende Eckdaten:

  Eurostation ISS
Gewicht: 129,1 t 350 t
Freies Innenvolumen 389 m³ 800 m³
Stromversorgung: 65,6 kW 120 kW

Das wichtige für Europa: Bei der ISS hat Europa das Recht alle 8 Monate einen Astronauten für 3 Monate an Bord zu bringen (sofern dafür Sitze auf den Sojus Kapseln vorhanden sind - das dürfte von 2011 an schwierig werden). Die Dreimannbesatzung der Eurostation kann aber nur aus Europäern bestehen - Die Starts finden von Kourou aus statt, man ist nicht auf russische (staatliche) Hilfe angewiesen und kann die Raumschiffe auch in der freien Marktwirtschaft vom Hersteller kaufen. Das bedeutet achtmal mehr Forschungsmöglichkeiten für Europa.

Japan

Japan hat im Prinzip das gleiche Problem wie die ESA, auch die Jaxa ist nicht zufrieden wie die ISS aufgebaut wird und welche Rechte Japan dort hat. Es ist dort sogar noch schlimmer: Japan könnte seine Module nicht selbst starten und muss mehr zum Unterhalt beitragen. In unserem Szenario sind noch fünf Kopplungsadapter frei. Das reicht aus um Kibo und den japanischen Raumtransporter anzukoppeln. Auch das weggefallene, schon von der JAXA als Gegenleistung für den Kino Transport an die NASA gelieferte Zentrifugenlabor könnte transportiert werden. Es wäre vor allem deswegen interessant weil es eine Grundfrage für Expeditionen ins äußere Sonnensystem klären kann - ob zeitweise künstliche Schwerkraft den Muskel- und Knochenabbau senken kann.

Für Kino wären mindestens zwei Ariane 5 Starts nötig. Eines für das Labor und eines für das Exposed Facility. Im letzteren müssten ein Teil der Racks eingelagert werden, da Kino mit 11,2 m Länge viel schwerer als Columbus ist.

Auch das HTV müsste mit der Ariane 5 gestartet werden, da er von Japan aus nicht die Eurostation erreichen kann. Selbst wenn dann die Flüge zur Eurostation 50% Japaner und und 50 % Europäer transportieren, hat die ESA im Endeffekt mehr von der Eurostation als heute von der ISS. Ich bin von einer 3 Mann Besatzung ausgegangen, doch sowohl die Labors wie auch die beiden MPLM erlauben eine Besatzung von 6, die dann mit zwei Sojus Kapseln starten würde.

Kostenabschätzung

Was fällt an Kosten an? Nun die Module sind schon gebaut, sie müssen größtenteils nur gestartet werden. Einige Module müssen gekauft werden. Dies sind:

Damit kommt man zu zusätzlichen Kosten für den Aufbau von 1580 Millionen Dollar für die Hardware und Sojus Starts und 1280 Millionen Euro für die Ariane 5 Starts, zusammen also (1 Euro = 1,4 Dollar) 2410 Millionen Euro. Diese Summe muss man in Beziehung zu den Gesamtaufwendungen für die ISS in Höhe von 8 Milliarden Euro setzen, die die ESA heute schon aufwendet oder geplant hat. Diese hohen Kosten kommen vor allem daher zustande, dass bei der ISS auch während der Aufbauphase erhebliche Mittel anfallen, selbst wenn sie nicht ausgebaut wird. Es ist nicht möglich die Experten in der Bodenkontrolle, die Forscher die auf ihre Experimente bei Columbus warten, einfach zu entlassen und dann (weil sich der Ausbau gegenüber dem Plan von 1998 um rund sechs Jahre verzögert hat) einfach in sechs Jahren wieder einzustellen, so verliert man die gesamte Erfahrung. Ich bin der Meinung, dass bei einem schnellen Start, z.B. beschlossen beim Ministerratstreffen 2005 die Eurostation vor der ISS fertig sein würde: 2-3 zusätzliche Ariane 5 Starts pro Jahr wären technisch möglich, so dass die gesamte Montagesequenz innerhalb von 3 Jahren abgeschlossen sein könnte. Bei einem ersten Start im Jahre 2007 wäre sie also Ende 2009 fertig gewesen.

Laufende Kosten

ATVWenn die Besatzung alle vier Monate ausgewechselt wird, dann werden drei Sojus Starts (300 Millionen Euro) pro Jahr zusätzlich benötigt. Zur Versorgung dürfte ein ATV Flug pro Jahr reichen, da die Raumstation nur halb so viele Personen hat und der Treibstoffverbrauch, der bisher ein Drittel ausmachte, auf Null reduziert werden kann: Die 170 m/s die man durch die geringere Bahnneigung einspart, kann man nutzen um die Umlaufbahn anzuheben. Dies reicht aus, um selbst bei erhöhtem Treibstoffbedarf für den Wiedereintritt die bei den Sojus Flügen die Umlaufbahn von 400 auf 560 km anzuheben. Während aber eine 400 km Umlaufbahn für etwa 1 Jahr stabil ist, ist eine 560 km hohe Bahn etwa 10 Jahre stabil - somit entfällt das Anheben der Bahn fast komplett.

Sollte sich Japan beteiligen so kann sie weitere drei Sojus Starts durchführen und einen HTV pro Jahr starten (von Kourou aus mit einer Ariane 5 mit erheblich höherer Nutzlast - 20,7 anstatt 16,5 t bei der endgültigen Umlaufbahn)

Resümee

Es wäre für Europa stemmbar gewesen, die zusätzlichen Aufwendungen wären bei sinnvollem Einsatz dessen, was es schon gibt, begrenzt gewesen, verglichen mit den schon erfolgten Aufwendungen. Über einen 10 Jahres Betrieb wären die Aufwendungen für Europa ungefähr 70 % höher gewesen als die Beteiligung bei der ISS. Diesen 70 % stehen aber 700 % mehr Forschungsmöglichkeiten, eine eigene Raumstation, ein eigenes Kommando und Unabhängigkeit gegenüber.

Die ISS hätte man danach aber weitgehend verschrotten müssen. Denn ohne die beiden Nodes der Europäer fehlen zum einen wichtige Kopplungsmöglichkeiten wie auch Wohnquartier und Lebenserhaltung für mehr als 3 Personen. Auch Japan könnte von der Zusammenarbeit profitieren.

Nebenbei würde der Weltraumbahnhof Kourou ausgelastet, indem pro Jahr ein zusätzlicher Ariane 5 Start und vier Sojus Starts stattfinden würden.



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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