Big Falcon Rocket

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Big Falcon Rocket[1][2] (Abkürzung: BFR;[3] auch Big Fucking Rocket[4][5][6][7]) ist die vorläufige Bezeichnung eines Entwicklungsprojektes für eine zweistufige Rakete des US-amerikanischen Raumfahrtunternehmens SpaceX. Dessen Eigentümer Elon Musk verfolgt mit der BFR das Ziel, den Weg zur Besiedlung des Planeten Mars zu eröffnen und die Menschheit zu einer „multiplanetaren Spezies“ zu machen.[8]

Um dies zu ermöglichen, soll die Rakete u.a. Nutzlasten von 150 t (wiederverwendbar) oder bis zu 250 t (Einwegnutzung) in einen niedrigen Erdorbit (LEO) befördern können. Sie wäre damit die leistungsfähigste jemals von Menschen gebaute Weltraumrakete. Die wiederverwendbaren Oberstufen sollen auf Himmelskörpern sowohl mit als auch ohne Atmosphäre landen können und somit zum Beispiel Landungen auf dem Mond, dem Mars und der Erde ermöglichen.[3]

Durch Massenproduktion standardisierter Bauteile und volle Wiederverwendbarkeit beider Raketenstufen sollen Flugkosten pro Person zum Mars von 100.000 bis 200.000 US-Dollar erreicht werden kann. Die Passagiere sollen selbst für die Flugkosten aufkommen. Die finanziellen Mittel zur Entwicklung der Rakete sollen durch kommerzielle Satellitenstarts, Versorgungsflüge zur ISS und Weltraumtourismus erwirtschaftet werden.[9] Entscheidend ist dabei, dass die BFR langfristig alle bisher genutzten und in Entwicklung befindlichen SpaceX-Flugkörper – die Falcon 9, die Falcon Heavy, das Frachtraumschiff Dragon und die bemannbare Dragon V2 – ersetzen soll, sodass mittelfristig die gesamten Entwicklungskapazitäten des Unternehmens für die BFR eingesetzt werden können.[3]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorgeschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Firma SpaceX wurde von Musk von Beginn weg mit dem Ziel gegründet, einen anderen Planeten zu besiedeln.[10] Alle Erfolge, die die Firma bisher vorweisen kann, sind nach Darstellung von Musk lediglich Zwischenschritte hin zur Kolonisierung des Mars.[11]

Mögliche Entwürfe für Raketen für sehr große Nutzlasten präsentierte SpaceX erstmals 2010 an einer Tagung der AIAA. Dort wurde auch bekanntgegeben, dass die Firma an einer vergrößerten Version des Merlin-Triebwerk arbeite, welches die Falcon-1- und Falcon-9-Raketen antreibt. Dieses Triebwerk sollte wie das Merlin mit RP-1 betrieben werden und wurde als Merlin 2 bezeichnet. Es sollte die Erststufen dieser Raketen antreiben. Für die Oberstufen war ein Triebwerk namens Raptor geplant, welches mit flüssigem Wasserstoff (LH2) betrieben werden sollte.[12]

Mars Colonial Transporter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

2012 gab Musk geänderte Entwürfe für das Raptor-Triebwerk bekannt. Es sollte nun mit flüssigem Methan betrieben und sowohl an der Erst- wie auch der Zweitstufe verwendet werden. Dazu wurde das geplante Triebwerk vergrößert. Das Projekt Merlin 2 wurde fallengelassen.[12]

Im Jahr 2013 gab SpaceX erstmals bekannt, an Konzepten für ein Transportsystem zum Mars zu arbeiten, damals unter dem Namen MCS (Mars Colonial Transporter). Es handelte sich dabei um Studien, die in den folgenden Jahren mehrfach stark überarbeitet wurden.[13]

Die ersten Tests an Komponenten des Raptor-Triebwerks begannen 2014.

Interplanetary Transport System[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Interplanetary Transport System im Vergleich mit Saturn V, Boeing 747; das Interplanetary Spaceship alleine neben der Apollo-Mondlandefähre

Am 27. September 2016 stellte SpaceX-Vorstandschef Elon Musk auf dem 67. Internationalen Astronautischen Kongress mit dem Interplanetary Transport System (ITS) das Grundkonzept vor, mit dem erstmals ein bemannter Flug zum Mars ermöglicht werden soll.[8] Das gesamte ITS-Vehikel sollte eine Höhe von 122 m haben und bis zu 550 t Nutzlast in einen niedrigen Erdorbit transportieren können, das Raumschiff einen Durchmesser von 17 m aufweisen. Mit dem System würden 100 Menschen in durchschnittlich 115 Tagen zum Planeten Mars befördert. Die erste bemannte Marsmission sollte nach Plänen von Musk frühestens im Jahr 2024 starten.

Im selben Monat wurde erstmals ein Raptor-Triebwerk auf einem Teststand gezündet.

Big Falcon Rocket[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am 29. September 2017 – dem neunten Jahrestag des ersten erfolgreichen Flugs einer SpaceX-Rakete – präsentierte Musk auf dem 68. Internationalen Astronautischen Kongress in Adelaide, Australien[14] ein überarbeitetes Konzept des ITS namens BFR[3] (Big Fucking Rocket[4][5], wenig später von SpaceX als Big Falcon Rocket bezeichnet[1][2]). Das BFR-Konzept wurde gegenüber dem ITS-Entwurf erheblich verkleinert, wäre bei Realisation aber immer noch die größte je gebaute Rakete.

Die folgende Tabelle zeigt die beiden Entwürfe von 2010 (Falcon X und Falcon XX) sowie die neueren Konzepte im Vergleich zur Saturn V, der Rakete des Apollo-Mondprogramms.

Saturn V Falcon X[12] Falcon XX[12] ITS[15] Big Falcon Rocket[16]
Höhe 110 m 93 m 100 m 122 m 106 m
Durchmesser 10.1 m 6 m 10 m 12 m 9 m
Startmasse 2.934 t k.A. k.A. 10.500 t 4.400 t
Nutzlast (LEO) 133 t 38 t 140 t 300 t (550 t) 150 t (250 t)
Startschub 33.851 kN 16.000 kN 45.360 kN 128.000 kN 52.700 kN
Besatzung 3 k.A. k.A. 100 100

Im Rahmen dieser Änderungen wurde auch das Raptor-Triebwerk nach unten skaliert. Statt der zunächst geplanten Leistung von 3.050 kN (3.500 kN im Vakuum) soll das Triebwerk nur noch 1.700 kN (1.900 kN im Vakuum) leisten. [15][16] Nach Angaben von Musk hätte es damit gemessen an seiner Masse immer noch die höchste Leistung aller jemals gebauten Triebwerke.[3]

Konzept[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wiederverwendbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Kernelement von Musks Konzept, das Vorhaben der Marskolonisierung bezahlbar zu machen, ist die volle Wiederverwendbarkeit beider Raketenstufen. Die geschätzten Baukosten gab er mit 250 Mio. Dollar pro Rakete an. Diese Kosten relativieren sich, wenn beide Stufen landen und lediglich mit Methan und Sauerstoff aufgetankt werden müssen, um dann wieder zu starten. Wichtige Grundfähigkeiten wie die geplante aufrechte Landung beider Stufen mittels der eigenen Triebwerke (propulsive landing) auf Landebeinen wurde bereits am Versuchsträger Grasshopper entwickelt und dann mittels entsprechend aufgerüsteter Erststufen an Falcon 9-Raketen im kommerziellen Betrieb bis zur Serienreife optimiert. Allerdings strebt Elon Musk statt ausfahrbarer Landebeine wie bei der Falcon 9 für die BFR feste Landebeine an.

Nach dem Einsatz im All wieder gelandete Raketenstufen wurden von SpaceX bereits aufgearbeitet, neu gestartet und wieder gelandet. SpaceX untersucht und optimiert aktuell die Festigkeit einiger Komponenten, so etwa der Gitterflossen, um von der aufwändigen Aufarbeitung der Raketenstufen zum bloßen Kontrollieren und Betanken übergehen zu können. Mit steigender Präzision der Landung sieht es SpaceX als möglich an, eine zurückkehrende Erststufe wieder direkt auf der Startrampe landen zu lassen.

Eine Marsraumschiff-Oberstufe soll bis zu 12-mal wiederverwendet werden können, ein Tanker bis zu 100-mal und eine Erststufe bis zu 1000-mal.[15]

Massenproduktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

SpaceX setzt bereits bei den aktuellen Raketen erfolgreich auf Massenproduktion. Durch den entstehenden Skaleneffekt können identische Bauteile in grosser Stückzahl erheblich günstiger produziert werden. SpaceX setzt dabei weithin auf firmeninterne Produktion und lässt nur wenige Bauteile extern zuliefern. Bei der Falcon 9 werden zum Beispiel neun identische, relativ kleine Merlin 1D-Triebwerke in der Erststufe sowie ein baugleiches Aggregat in der Oberstufe verwendet, welches sich nur durch die vergrößerte Ausströmdüse unterscheidet. Die Falcon Heavy wird 27 baugleiche Merlin-Triebwerke in der Erststufe und eines in der Oberstufe einsetzen. Die Big Falcon Rocket soll in der Erststufe 31 identische Raptor-Triebwerke erhalten, sowie 7 weitere an der Oberstufe.

Die europäische Ariane 5 im Gegensatz nutzt seitliche Feststoffbooster, ein einzelnes sehr leistungsstarkes Vulcain-Triebwerk in der Hauptstufe, sowie ein kleineres Aestus-Triebwerk in der Oberstufe. Die Triebwerke werden entsprechend nur in geringen Stückzahlen gebaut und sind relativ teuer.

Treibstoff[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Obwohl flüssiger Wasserstoff (LH2) in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff (LOX) einen höheren spezifischen Impuls liefert als Methan und LOX und auf dem Mars einfacher herzustellen wäre, hat sich SpaceX gegen diesen Treibstoff entschieden. LH2 besitzt eine geringere Dichte als verflüssigtes Methan und ist schwieriger zu handhaben, z.B. beim Transfer von Treibstoff zwischen Schiffen. Der bei der Falcon 9 verwendete Treibstoff RP1 wäre auf dem Mars äußerst schwierig herzustellen und führt zu stärkerer Verrußung der Triebwerke, was dem Ziel einer möglichst häufigen Wiederverwendung entgegenläuft.[12]

Flüssiges Methan und LOX verbindet die Vorteile eines hohen spezifischen Impulses, geringer Verrußung der Triebwerke und relativ einfacher Produktion auf dem Mars, und wurde darum von SpaceX bevorzugt. Die beiden Treibstoffe sollen supergekühlt werden, weil die Kühlung nahe an den Gefrierpunkt die Dichte erhöht und es ermöglicht, bei gleichem Tankvolumen 10-12 % mehr Treibstoffmasse unterzubringen, was wiederum die mögliche Nutzlast erhöht.

Während eine Mondlandung ohne erneute Betankung möglich sein soll, muss der für einen Rückflug vom Mars benötigte Treibstoff vor Ort produziert werden. Dazu soll das auf dem Mars vorkommende Wassereis abgebaut und mittels Wasserelektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden:

Der Sauerstoff würde danach verflüssigt und eingelagert. Der molekulare Wasserstoff würde zusammen mit Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre dem Sabatier-Prozess zugeführt:

Das so produzierte Methan würde ebenfalls verflüssigt und gelagert. Das beim Sabatier-Prozess entstehende Wasser würde wiederum der Elektrolyse zugeführt. Als Energiequelle soll Solarenergie verwendet werden. Langfristig wäre Gewinnung mittels Solarenergie auch auf der Erde denkbar, um die Rakete umweltfreundlich zu betreiben.[3]

Erststufe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Künstlerische Darstellung einer Erststufe des ITS, des Vorgängerentwurfs der BFR, bei der Landung

Die Erststufe soll über 31 Raptor-Triebwerke verfügen, die bei Starts von der Erde mit voller Nutzlast alle zum Einsatz kommen. Sie würden zusammen bis zu 5.400 t Schub liefern, um die maximal 4.400 t schwere gesamte Rakete zu beschleunigen. Die Erststufe soll zur Erde zurückfliegen und nach Betankung wieder einsatzfähig sein.

Die tragende Struktur und die Tanks sollen komplett aus Kohlefaserverbundstoffen gefertigt werden.[15] Die Konstruktion soll dabei einwandig ausgeführt werden, das heißt die Tankhülle soll gleichzeitig die Außenhülle der Rakete sein. Die Hitzeschutzkacheln der Oberstufe sollen direkt auf den Tankhüllen angebracht werden.[17]

Oberstufen / Raumschiffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Oberstufe sollen sieben Raptoren zum Einsatz kommen, davon vier mit Vakuum- und drei mit Atmosphären-Ausströmdüsen. Alle sieben sollen beweglich sein. Ursprünglich war ein Atmosphären-Triebwerk weniger geplant; das dritte Triebwerk soll eine Landung mit höheren Nutzlasten ermöglichen und für einen weniger drastischen Schubabfall (1/3 statt 1/2) bei Ausfall eines Triebwerks sorgen.[17]

Im Gegensatz zu den gängigen Raketenkonstruktionen soll die Oberstufe fest mit der Nutzlastsektion verbaut werden, sodass beide eine Einheit bilden. Die Zweitstufe soll 48 m lang sein und über vier fürs Vakuum optimierte Raptor-Triebwerke und drei Triebwerke für Flüge in der Atmosphäre verfügen. Ihr Leergewicht ist mit 85 t geplant und die aufnehmbare Treibstoffmasse mit 1.100 t, davon 240 t Methan und 860 t Sauerstoff. Das Schiff von 9 m Durchmesser soll bei voller Wiederverwendbarkeit 150 t in eine niedere Erdumlaufbahn befördern und mit 50 t Fracht wieder auf der Erde landen können. Deltaflügel sollen helfen, die Raketen, die mit höchst unterschiedlichen Ladegewichten fliegen würden, bei der Landung auf Himmelskörpern mit Atmosphäre zu stabilisieren. Die volle Nutzung des Treibstofftanks im All ist nur möglich, wenn weitere Raumschiffe den Treibstoff in Portionen hochfliegen und dort das Raumschiff etwa für einen Flug zum Mars betanken.

Die Oberstufe ist in mindestens drei verschiedenen Ausführungen geplant: Als Raumschiff für Personen- und Frachttransporte, als Tanker, und als Satellitenträger mit wiederverschließbarer Nutzlastverkleidung.

  • Raumschiff: Die Druckkabine verfügt gemäß Plan über 875 m³ Raum unter Atmosphärendruck, mehr Raum als in einem Airbus A380. Sie soll in der Marsversion u.a. 40 kleine Kabinen aufnehmen sowie den Passagieren große Gemeinschaftsräume anbieten. Hinter der Kabine befindet sich eine Nutzlastsektion, welche nicht unter Druck steht.
  • Tanker: Fürs erste plant SpaceX, normale Raumschiffe ohne Nutzlast als Tanker einzusetzen. Erst für einen späteren Zeitpunkt ist die Entwicklung eines dedizierten Tankers geplant.[17]

Betankung im Orbit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der Notwendigkeit, das Raumschiff für die Reise zu einem anderen Planeten im All mit mehreren Transportladungen zu betanken (für eine komplette Füllung des 1100 t-Tanks wären rein rechnerisch 8 weitere Flüge einer wiederverwendbaren BFR-Rakete erforderlich), hält Elon Musk neben der Landefähigkeit auch die Fähigkeit zum sicheren und vollautomatischen Rendezvous seiner Raumschiffe für elementar. Die schon gewonnene Anflugfähigkeit des Frachtraumschiffs Dragon zur ISS, das aber bei den letzten Metern mittels des Greifarm der ISS gepackt und exakt angedockt wird, möchte er mit der Dragon V2 bis zur vollautomatischen Anflug- und Andockfähigkeit steigern. Aneinander andocken sollen die BFR-Schiffe jeweils mit der Rückseite über dieselben Elemente, mit denen sie auf der Erststufe aufsitzen.

Mond- und Marsflug[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um eine Oberstufe auf Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen, muss zusätzlicher Treibstoff aufgetankt werden. Die folgende Tabelle stellt verschiedene Nutzlasten und maximal mögliche Geschwindigkeitsänderungen Δ über die erste kosmische Geschwindigkeit im LEO (7,8 km/s) hinaus dar. Gelb hinterlegt sind Fluchtgeschwindigkeit und höher.

Max. Δ für versch. Konfigurationen des BFS[16]
Nutzlast: 25 t 50 t 100 t 150 t
ohne auftanken 2,4 km/s 1,8 km/s 0,8 km/s -
1x auftanken 4,5 km/s 3,8 km/s 2,7 km/s 1,9 km/s
2x auftanken 5,6 km/s 5,0 km/s 3,9 km/s 3,0 km/s
vollgetankt 8,4 km/s 7,8 km/s 6,9 km/s 6,1 km/s

Für einen Flug zum Mond soll die Zweitstufe in einen hohen elliptischen Erdorbit gebracht und dort betankt werden. Für einen Marsflug ist vorgesehen, das Schiff auf einem niedrigen Erdorbit vollständig aufzutanken.

Während des Reiseflugs soll das Schiff die Nase gegen die Sonne ausrichten, damit der gekühlte Treibstoff in den Tanks nicht aufgewärmt wird.[17] Die Landung auf einem Himmelskörper soll vollständig autonom stattfinden. Die Bremstriebwerke sind redundant geplant, sodass mindestens ein Triebwerk ausfallen kann, ohne eine sichere Landung zu gefährden. Die Rückkehr zur Erde soll mit eigenem Antrieb möglich sein. Bei Marsmissionen ist dazu ein erneutes Betanken nötig, weshalb ein Hauptziel der geplanten ersten Marsflüge darin besteht, eine lokale Treibstoffproduktion und -bevorratung aufzubauen. Bei Mondmissionen soll hingegen eine direkte Rückkehr mit dem Resttreibstoff im Schiff möglich sein.[16] Bei der Rückkehr zur Erde soll das Schiff zum Abbremsen direkt in die Erdatmosphäre eintauchen, um Geschwindigkeit abzubauen.

Satellitenstarts[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Big Falcon Rocket soll auch alle Missionen übernehmen können, die bislang von der Falcon 9 geflogen werden: Kommerzielle Satellitenstarts, Starts für Regierungsorganisationen und Versorgungsflüge zur Internationalen Raumstation ISS. Die BFR soll dabei noch einmal günstiger operieren als die Falcon 9. Dabei wären auch sehr schwere Nutzlasten und neuartige Satelliten mit Durchmessern von bis zu knapp 9 m möglich.

Langstreckenflüge um die Erde[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere Einsatzmöglichkeit für die Big Falcon Rocket wären Langstreckenflüge um die Erde. Dabei könnten die meisten Städteverbindungen in weniger als 30 Minuten geflogen werden, und theoretisch jeder Punkt der Erde in weniger als 60 Minuten erreicht werden.[3]

Technische Daten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Datenblatt[16]
Ganze Rakete Erststufe Zweitstufe (Raumschiff)
Nutzlast (LEO) wiederverwendbar: 150 t
Einfachnutzung: 250 t
Nutzlast für Landung 50 t
Rumpfdurchmesser 9 m
Länge 106 m 58 m 48 m
Leergewicht 85 t
maximale Gesamtmasse 4.400 t 3.065 t 1.335 t
Triebwerke 31 Raptor-Triebwerke 3 Raptor für Atmosphäre + 4 Vakuum-Raptor
Schub 52.700 kN 5.100 kN (Meereshöhe)

5.700 kN (Vakuum)

Tankkapazität 1100 t: 240 t CH4 + 860 t O2

Finanzierung und Zeitplan[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ursprünglichen Entwicklungskosten für das ITS wurden 2016 auf rund 10 Milliarden US-$ veranschlagt.[8] Für die BFR wurden zunächst keine Zahlen vorgelegt. Nach der Fertigentwicklung der Falcon Heavy und der Dragon V2 möchte Elon Musk die gesamten Entwicklungskapazitäten der Firma auf das Projekt BFR konzentrieren. Für Kunden, deren Missionen auf die Falcon 9 ausgelegt sind, soll ein Vorratsbestand an Falcon-9-Raketen hergestellt werden.

Der Baubeginn des ersten Prototyps ist für das zweite Quartal 2018 angekündigt.[3] Der Erstflug für das projektierte System ist für 2022 geplant, ein erster bemannter Flug zum Mars für 2024. Diesen Zeitplan bezeichnete Elon Musk als ambitioniert.[3]

Stand der Umsetzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Test eines Raptor-Triebwerks am 25. September 2016.

Die Raptor-Triebwerke sowie Treibstofftanks befinden sich bereits in der Testphase. Zudem wurde aus einem neu entwickelten, besonders stabilen Kohlefaser-Verbundmaterial ein Prototyp des Sauerstofftanks für das ursprünglich geplante ITS hergestellt und getestet.[3]

Konkurrenz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die NASA entwickelt mit dem Space Launch System (SLS) eine Trägerrakete, die ebenfalls Missionen zum Mond und zum Mars ermöglichen soll. Das SLS sieht keine Wiederverwendbarkeit der Raketen vor.

Das private US-amerikanische Raumfahrtunternehmen Blue Origin des Milliardärs Jeff Bezos plant mit der Rakete New Glenn ein vergleichbares, aber kleineres System einer wiederverwendbaren Trägerrakete.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Full Replay: 1st National Space Council Meeting with VP Mike Pence, space.com, 5. Oktober 2017.
  2. a b Artist S Rendering Of The Big Falcon Rocket, spacex.com, abgerufen am 23. Oktober 2017.
  3. a b c d e f g h i j Präsentation von Elon Musk vom 29. September 2017 am 68. International Astronautical Congress in Adelaide, Australien (YouTube-Video).
  4. a b "Big Fucking Rocket"-Mission zum Mars, tagesschau.de, 29. September 2017.
  5. a b "Big Fucking Rocket" bald auf dem Weg zum Mars?, sueddeutsche.de, 30. September 2017.
  6. Raketenpläne von Elon Musk: In 60 Minuten um die Erde, Spiegel Online, 29. September 2017.
  7. Elon Musk: SpaceX can colonise Mars and build moon base, The Guardian, 29. September 2017.
  8. a b c SpaceX: Making Humans a Multiplanetary Species, 27. September 2016 (YouTube-Video).
  9. SpaceX bringt Touristen zum Mond. Abgerufen am 27. Februar 2017.
  10. Max Chafkin: The Companies of Elon Musk. (Memento vom 3. Januar 2008 im Internet Archive). In: Inc.com, 1. Dezember 2007, Datenblatt zu Musks Firmen.
  11. Tim Urban: How (and Why) SpaceX Will Colonize Mars, 16. August 2015.
  12. a b c d e Spaceflight101.com: SpaceX – Launch Vehicle Concepts & Designs. Abgerufen am 21. Oktober 2017.
  13. Robert Zubrin: A Critique of the SpaceX Interplanetary Transport System, The New Atlantis, 21. Oktober 2016.
  14. 68. International Astronautical Congress (IAC), 2017.
  15. a b c d Musk Elon. New Space. June 2017, 5(2): 46-61. (pdf).
  16. a b c d e SpaceX: Making Life Multiplanetary (pdf). Abgerufen am 19. Oktober 2017.
  17. a b c d Antworten von Elon Musk an einer Reddit-Fragerunde, 14. Oktober 2017.