Raumfahrt

Bevor US-Präsident Bush seine Astronauten zum Mond und zum Mars schickt, muss die NASA ein anderes Problem lösen: Womit wollen die USA künftig zur Internationalen Raumstation ISS fliegen? Denn die Tage des Spaceshuttles sind gezählt. Ein Wettbewerb soll jetzt Ideen für das Raumflugzeug von morgen liefern.

Passagierflüge zum Mond konnte man schon während der Euphorie der Apollo-Flüge vor dreißig Jahren reservieren. Und vor zehn Jahren ließ sich der Brite Richard Branson, Chef des Unterhaltungskonzerns »Virgin« und der Airline »Virgin Atlantic«, vom Space-Bazillus anstecken und gründete die Raumfluggesellschaft »Branson Space Lines« für Ausflüge ins All. Aber die künftigen Weltraumtouristen werden sich noch etwas gedulden müssen. Denn der Flug in den Orbit ist eine der schwierigsten und riskantesten technischen Herausforderungen der Raumfahrt. Das wurde auf tragische Weise deutlich, als im Febraur 2003 der NASA-Space-shuttle Columbia beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über Texas abstürzte.

Bisher war der Shuttle das einzige Raumfahrzeug des Westens, mit dem nicht nur schwere Lasten von bis zu dreißig Tonnen, sondern auch Astronauten in den Weltraum transportiert werden konnten. Doch nach der Columbia-Katastrophe mussten die Starts der restlichen drei Shuttles aus Sicherheitsgründen gestoppt werden: Sie sollen frühestens im nächsten Herbst wieder aufsteigen – sofern alle Zweifel an der Sicherheit ausgeräumt sind. Bis dahin können nur die Russen mit ihren seit Jahrzehnten bewährten kleinen Sojus-Kapseln regelmäßig Menschen in den Orbit befördern. Auch der erste chinesische »Taikonaut« (»taiko« = Himmel), der Mitte Oktober vorigen Jahres 14-mal um die Erde kreiste, benutzte eine Kapsel und kam sicher zurück – ähnlich wie die ersten russischen und amerikanischen Astronauten in den 1960er Jahren.

Raumfahrt verschlingt Unsummen, und eigentlich sollte der wiederverwendbare Space-shuttle dafür sorgen, dass die Kosten deutlich sinken. Doch diese Hoffnung hat sich nicht erfüllt. Schon die Entwicklung der Raumfähre war mit rund dreißig Milliarden Dollar sehr teuer; ein einziger Start kostet heute einige hundert Millionen Dollar; und der Preis, um ein Kilogramm Nutzlast in den Orbit zu befördern, liegt bei 25000 Dollar. Kein Wunder, dass die NASA ständig nach preiswerteren Möglichkeiten des Raumtransports sucht. Zielvorgabe: Die Nutzlastkosten sollen auf rund ein Zehntel sinken. In den vergangenen zwanzig Jahren haben die Amerikaner immer wieder Konzepte für so genannte Raumflugzeuge vorgestellt, die von normalen Flughäfen aus in den Orbit starten. Doch all die hochfliegenden Ideen scheiterten an den harten Realitäten: Entweder die technischen Probleme waren zu groß, oder es fehlte an Geld und politischer Unterstützung.Warum ist es eigentlich so schwierig, von der Erde aus ins All zu fliegen? Warum kann man nicht einfach mit einem Flugzeug immer weiter auf rund 250 Kilometer Höhe steigen, um dann wie ein Satellit um den Globus zu kreisen?

Das Dilemma besteht darin, dass sich Flugzeuge und Raumfahrzeuge in völlig verschiedenen Welten bewegen. Ein Flugzeug braucht die Atmosphäre; deshalb fliegen die heutigen Jet-Airliner auch nur in zehn bis zwölf Kilometer Höhe, Kampfflugzeuge erreichen rund zwanzig Kilometer. Zwar konnte 1963 das Experimentalflugzeug »North American X-15« auf die Rekordhöhe von fast 108 Kilometern steigen – aber das ist nur mit einem Raketenmotor möglich, für den neben dem Treibstoff auch noch der für die Verbrennung nötige Sauerstoff im Tank mitgeführt werden muss. Mit düsengetriebenen Flugzeugen kann man nicht so hoch fliegen, denn mit zunehmender Höhe wird die Luft immer dünner: Die Flügel erzeugen nicht mehr den nötigen Auftrieb, und die Triebwerke leiden unter Atemnot. Wollte man mit einem Flugzeug ins All, müsste es sich während des Fluges in eine Rakete verwandeln: In der Atmo-sphäre fliegt es mit Düsenmotoren, die die Umgebungsluft nutzen, und im Weltraum sorgen Raketen für den nötigen Schub. Hybridtriebwerke zu entwickeln, die sowohl Düsen- als auch Raketenmotor sind, ist aber technisch extrem aufwändig. Deshalb bietet sich eine andere Lösung an: Ein düsengetriebenes Flugzeug dient als »Mutterschiff« und trägt auf seinem Rücken – quasi als zweite Stufe – ein Raketenflugzeug. Am Ende des Steigflugs auf rund 25 Kilometer Höhe erreicht das Gespann etwa siebenfache Schallgeschwindigkeit, dann löst sich das Raketenflugzeug und steigt mit bis zu 25facher Schallgeschwindigkeit weiter auf rund 350 Kilometer Höhe. Das enorme Tempo ist nötig, weil erst dann die Fliehkraft beim Kreisen um die Erde so groß ist, dass sie die Erdanziehungskraft überwindet. Im Orbit angekommen, kreist das Raketenflugzeug antriebslos wie ein Satellit.

Mit welcher Technik auch immer man in den Weltraum fliegen will – der Energiebedarf ist extrem hoch. Selbst Raumsonden, die bis zum Rand unseres Sonnensystems vordringen sollen, verbrauchen die Hälfte der Energie schon auf den ersten paar hundert Kilometern, um der Erdanziehung zu entfliehen. Das zweite technische Problem ist die Rückkehr aus dem All zur Erde. Sobald ein Raumflugzeug bremst, beginnt es automatisch auch schon zu sinken, denn die Fliehkraft nimmt ab, die Erdanziehung überwiegt. Deshalb taucht ein Shuttle oder ein Raumflugzeug immer noch mit über 20000 Kilometer pro Stunde aus dem All in die Erdatmo-sphäre ein, und dabei erhitzt sich die Außenhaut durch die extreme Reibung der Luft auf rund 2000 Grad Celsius. Bei solchen Höllentemperaturen schmilzt jedes Metall, und deshalb muss das Flugzeug durch Keramikkacheln gegen die Hitze geschützt werden. Dass diese Technik nicht ohne Risiko ist, hat der Columbia-Absturz gezeigt: Beim Start hatte sich von der Isolierung des Haupttanks ein Stück Hartschaum gelöst und war mit voller Wucht gegen die Unterseite des Shuttle-Flügels geprallt. Dabei wurden einige der Hitzekacheln beschädigt, sodass beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre die glutheiße Luft wie ein Schneidbrenner wirkte und den Flügel zerstörte.

Bleibt das Raumflugzeug also angesichts dieser Probleme eine unerreichbare Utopie? Auch wenn die Sache kompliziert ist: Die NASA ist gezwungen, darüber nachzudenken. Denn die Tage der drei verbliebenen Raumfähren sind gezählt. Man braucht sie zwar wegen ihrer enormen Tragkraft von dreißig Tonnen noch zur Vollendung der bisher nur halbfertigen Internationalen Raumstation ISS – aber als Taxi für den Transport von Astronauten sind sie zu teuer und auf Dauer auch zu gefährlich. Ein Nachfolger der Shuttles ist schon deshalb dringend notwendig, weil der ISS noch eine Art Rettungsboot fehlt, mit dem sich die sechs- bis siebenköpfige Besatzung in Notfällen schnell in Sicherheit bringen kann. Heute ist zwar ständig eine russische Sojus-Kapsel an der Station angedockt, aber die hat nur Platz für drei Passagiere. Die ISS-Besatzung von vornherein auf drei Astronauten zu beschränken geht auch nicht: Diese Mini-Crew würde gerade mal ausreichen, um die Raumstation in Betrieb zu halten – für wissenschaftliche Arbeiten wäre eine ständige Mannschaft von mindestens sechs Astronauten nötig. Um die Lücken, die die Shuttles nach ihrer endgültigen Ausmusterung hinterlassen werden, zu schließen, entwarf die NASA das Konzept der sechssitzigen Rettungs-Raumfähre »Crew Rescue Vehicle« – doch es wurde vor zwei Jahren aus Geldmangel gestoppt. Kurz nach dem Columbia-Absturz nahmen die Amerikaner dann einen neuen Anlauf für ein Raumflugzeug, das als Transportmittel für As-tronauten und als Rettungsvehikel dienen soll. Für dieses »Orbital Space Plane« (OSP) wurde zwischen den Firmen Boeing, Lockheed und Northrop ein neuer Entwurfswettbewerb gestartet. Das Raumflugzeug soll nach den bisher bekannt gewordenen Plänen ab 2010 Astronauten zur ISS und zurück bringen können. Der Wettbewerb läuft zwar noch, aber schon jetzt zeigen die ersten Ideen für das OSP: Die Amerikaner sind sehr viel bescheidener geworden. Denn dieses neue Raumflugzeug wird nicht – wie in früheren Projekten angestrebt – wie ein Flugzeug starten, sondern an der Spitze einer Rakete; ab einer Höhe von hundert bis 150 Kilometern fliegt es mit eigenem Antrieb weiter. Wie es aussehen wird, steht noch nicht fest. Die Wettbewerbsfirmen untersuchen zurzeit verschiedene Alternativen – darunter sind geflügelte Modelle, aber auch bewährte Fluggeräte aus den Pioniertagen der bemannten Raumfahrt: Kapseln. Sie unterscheiden sich kaum von denen, die die Russen seit über vierzig Jahren mit großem Erfolg verwenden oder die in Amerika bei John Glenns erster Erdumrundung und den Apollo-Flügen eingesetzt wurden.

Noch bis vor kurzem hatte Boeing auf eine viel anspruchsvollere Technologie gebaut, um eines Tages den Spaceshuttle ersetzen zu können. Im Auftrag der NASA entstand das Experimentalgerät »X-37«, das wie ein verkleinerter Shuttle aussieht, aber ohne Astronauten vollautomatisch Nutzlasten ins All bringen sollte. Die Zukunft dieses ambitionierten Shuttle-Nachfolgers ist jedoch ungewiss, denn jetzt heißt die Devise: vorwärts in die Vergangenheit. Deshalb ist es sehr wahrscheinlich, dass das OSP nur eine Raumkapsel werden wird – wenn die Amerikaner von »Raumflugzeug« sprechen, ist das also eine kühne Übertreibung. Aber es gibt wohl keine Alternative zum Rückgriff auf konservative Technik: Die USA können sich kein Risiko mit exotischen und unerprobten Technologien mehr leisten. Auch wenn die Vorsicht Regie führt: Das OSP-Projekt ist in den USA schon jetzt umstritten. Während die NASA und die Astronauten voll dahinter stehen, gibt es unter den Politikern auch Gegner. Sie kritisieren, dass das Orbital Space Plane viel zu teuer ist und dafür zu wenig bietet. Die Investitionen werden auf elf bis 13 Milliarden Dollar veranschlagt – im NASA-Budget sind bisher aber nur magere drei Milliarden vorgesehen. Außerdem sei die Auslegung auf »mindestens vier Astronauten« zu gering, um der Aufgabe als Transport- und Rettungsfahrzeug der ISS gerecht zu werden. Im Laufe des Jahres müssen sich die Amerikaner aber entscheiden: Falls auch das OSP wieder – wie so viele Projekte vorher – gestoppt werden sollte, ist die Zukunft der bemannten US-Raumfahrt in Gefahr.

Aber selbst in dieser Zeit des nüchternen Realismus gibt es noch Visionen, auch in Europa. Die Raumfahrt-Division des europäischen Konzerns EADS (»European Aeronautic Defense and Space«) stellt sich das Jahr 2020 so vor: Auf dem Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana wird ein Start vorbereitet; doch keine Ariane 5 ragt in den Himmel, sondern am Boden steht das schnittige Raumflugzeug »Hopper« – mit 27 Meter Spannweite und rund fünfzig Meter Länge sieht es aus wie eine etwas zu dick geratene Concorde. Das Raumflugzeug wiegt mit 500 Tonnen fast so viel wie ein Mega-Airbus A380. In seinem Heck sitzen drei gewaltige Raketenmotoren Vulcain 3R, wie sie auch in der Hauptstufe der Ariane 5 verwendet werden: Sie bringen einen Schub von insgesamt nahezu 300 Tonnen – fast doppelt so viel wie die vier Triebwerke des A380 zusammen. Aber auch diese enorme Leistung würde nicht ausreichen, um das Schwergewicht ins All zu hieven. Deshalb steht der Hopper nicht auf einer gewöhnlichen Piste, sondern auf einem Magnetschwebe-Schlitten, der auf einer vier Kilometer langen Startschiene gleitet wie ein Transrapid. Sobald die gewaltigen Raketenmotoren des Hopper zu arbeiten beginnen, beschleunigen starke Magnetfelder den Schlitten in wenigen Sekunden auf 500 Kilometer in der Stunde. Dann hebt das Raumflugzeug ab und steigt mit seinen Raketenmotoren steil in den Himmel bis auf 130 Kilometer Höhe. Bei zehnfacher Schallgeschwindigkeit wird mitten über dem Südatlantik die Nutzlast von bis zu 7,5 Tonnen ausgestoßen – etwa ein Satellit, der dann mit einem eigenen Raketenmotor weiter bis in seine Umlaufbahn steigt. Hat der Hopper seine Aufgabe erfüllt, gleitet er antriebslos zurück und landet auf den Azoren oder der Insel Ascension im Südatlantik.

Dieses Raumflugzeug ist zwar noch nicht für bemannte Expeditionen ins All ausgelegt, bietet aber entscheidende Vorteile. Zum einen liegen die Nutzlastkosten um 75 Prozent unter de-nen des Spaceshuttles. Zum anderen eröffnet der Hopper eine neue, weniger gefährliche Variante des Raumtransports: Weil er im Gegensatz zum Shuttle noch innerhalb der Atmosphäre bleibt, ist er bei der Rückkehr nicht der extremen Hitze ausgesetzt wie die Raumfähre. Nachteil: Die Nutzlast braucht eine eigene Antriebsstufe, um vom Scheitelpunkt der Hopper-Flugbahn aus in die vorgesehene Umlaufbahn zu gelangen. Das wiederverwendbare Raumflugzeug wurde von EADS mit dem Ziel entwickelt, Europa einen autonomen Zugang zum All zu schaffen. Der Hopper könnte zum Nachfolger der Ariane 5 werden und Satelliten in ihren Orbit befördern oder Nutzlasten zur Raumstation transportieren – und in einer weiteren Entwicklungsstufe könnte er auch dem Transport von Astronauten dienen. Zwar ist noch längst nicht ausgemacht, dass er eines Tages wirklich fliegen wird, aber die Windkanalversuche laufen schon. Das verkleinerte Modell »Phoenix« mit nur sieben Meter Spannweite und einem Gewicht von 1,2 Tonnen geht bereits in diesem Frühjahr an den Start, allerdings nur im Schlepptau eines Hubschraubers. In 3500 Meter Höhe wird Phoenix ausgeklinkt, schwebt dann wie ein Segelflugzeug zur Erde und landet vollautomatisch auf einem Flugplatz in Nordschweden. Nicht zuletzt vom Erfolg dieser Vorversuche wird es abhängen, ob sich die Europäische Raumfahrtagentur ESA ernsthaft mit dem EADS-Konzept befassen wird.

Hopper ist nicht der erste Anlauf der Europäer, ein wiederverwendbares Transportsystem für Satelliten und Astronauten zu entwickeln. Schon in den 1960er Jahren hatte das Unternehmen Junkers – damals die Raumfahrttochter der Flugzeugfirma Messerschmitt – das nach einem berühmten Raumfahrtwissenschaftler benannte Projekt »Sänger« vorgeschlagen: einen zweistufigen Raumtransporter, der mithilfe von Heißwasserraketen starten und in großer Höhe ein Huckepack-Raketenflugzeug ins All schießen sollte. Anfang der 1990er Jahre wurde das Konzept in verbesserter Form als »Sänger II« erneut diskutiert – aber für eine Realisierung fehlte das Geld. Auch der europäische Mini-Shuttle »Hermes« fiel vor zehn Jahren dem Rotstift zum Opfer. Scheitern auch die hochfliegenden Träume vom Raumflugzeug des 21. Jahrhunderts am Geld? Sicher ist nur: Weder die NASA noch die ESA werden in absehbarer Zeit die Mittel aufbringen können, um ein wiederverwendbares Raumflugzeug als Nachfolger der heutigen Trägerraketen und Spaceshuttles zu entwickeln. Aber vielleicht sind es in Zukunft gar nicht die mit Steuermitteln finanzierten Raumfahrtbehörden, die den Traum vom Flug ins All realisieren – es gibt inzwischen auch Privat-initiativen, die für manche Überraschung sorgen könnten. So ist noch in diesem Jahr mit dem Ergebnis eines der aufregendsten Raumfahrt-Wettbewerbe der letzten Jahre zu rechnen. Für den ersten Flug mit drei Personen bis auf hundert Kilometer Höhe hatten großzügige Sponsoren den »X-Prize« in Höhe von zehn Millionen Dollar ausgesetzt (s. P.M. 8/03). Mehr als zwei Dutzend Teams aus den USA sowie aus Großbritannien, Frankreich, Russland und Japan bewerben sich mit ihren Fahrzeugen um diesen Preis. Zwar würde man mit einem »subor-bitalen« Flug gerade mal den obersten Rand der Atmosphäre erreichen, aber die Hoffnung der Initiatoren ist groß: Wenn dieser Flug mit relativ einfachen Mitteln und zu vertretbaren Kosten gelänge, wäre er der Beginn des Weltraumtourismus.

Noch ambitionierter sind die Ziele der vor vier Jahren in Seattle gegründeten Firma »Blue Origin«. Ehemalige NASA-Ingenieure, Physiker und Erfinder arbeiten dort unter strengster Geheimhaltung an einem neuartigen, wiederverwendbaren Raumflugzeug, das sieben Menschen ins All befördern soll. Finanziert wird dieses Raumschiff, dessen Name »New Shepard« an den ersten Amerikaner im All erinnern soll, von einem Unternehmer, der auf einem ganz anderen Gebiet zum Erfolg kam: Jeff Bezos, Gründer des Internet-Versandhauses Amazon. Schon als Kind war er von der Raumfahrt fasziniert, und in seiner Abschlussrede an der Highschool von Miami breitete er 1982 vor einem verblüfften Auditorium die Vision von der Kolonisierung des Alls aus. Nachdem Bezos mit Amazon zu einem der hundert reichsten Amerikaner geworden ist, geht er nun daran, seine Weltraumträume in die Tat umzusetzen: Sein mysteriöses New Shepard soll schon in den nächsten Jahren in den Weltraum fliegen. Und bis zum Jahr 2039 will Blue Origin die private Raumstation »Heliopolis« in den Orbit bringen: Von hier aus wären dann weite Flüge bis tief in das Sonnensystem möglich. Von Experten des re-nommierten California Institute 0f Technology hat sich Bezos bereits das Konzept dieser Raumstation entwerfen lassen. Zwar werden die Kosten für die Entwicklung und den Bau von Heliopolis auf 105 Milliarden Dollar geschätzt, doch Bezos glaubt, dass er diese gigantische Summe wieder hereinspielt: Durch Weltraumtourismus und kommerziellen Bergbau auf fernen Asteroiden will er pro Jahr mehr als 200 Milliarden Dollar Gewinn erwirtschaften. Eine frühere Schulfreundin hat ihn einmal damit aufgezogen, er habe den Online-Buchversand nur deshalb aufgebaut, um sich das Geld für seine Raumfahrerträume zu beschaffen. Bezos’ lapidare Antwort: »Wäre ja gar nicht schlecht, wenn ich dabei mithelfen könnte.«