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H3-Rakete: Japans Antwort auf SpaceX kommt erst noch

Startpreise auf dem Niveau der Falcon 9, aber eine Konkurrenz für die Ariane 6: Die H3-Rakete hat es in den Orbit geschafft. Wir erklären, wo Japan damit im Wettbewerb steht.



Die japanische H3-Rakete ist am Samstag bei ihrem zweiten Flug erfolgreich in den Orbit gelangt. Damit steht der japanischen Raumfahrt wieder eine schwere Trägerrakete zur Verfügung.

Die ältere H-IIA-Rakete wird bereits nicht mehr hergestellt. Die H3 ist zusammen mit Raketen wie der Vulcan, der Ariane 6 und SLS Teil der verspäteten letzten Generation nicht wiederverwendbarer Raketen, die allesamt spätestens 2020 fliegen sollten.

Beim zweiten Flug der H3 wurde auf eine größere Nutzlast verzichtet, allerdings erst, nachdem beim ersten Flug die Zündung der zweiten Stufe versagt hatte. Dabei wurde ein Satellit im Wert von 200 Millionen US-Dollar zerstört. Die Ursache konnte auf einen Kurzschluss, einen defekten Transistor oder einen Defekt des Flugcomputers eingegrenzt werden. Der Hersteller Mitsubishi beseitigte anschließend alle drei möglichen Fehlerquellen.

Die geplanten Startpreise sollten mit 45 Millionen US-Dollar halb so hoch wie beim Vorgänger sein, allerdings nur für die kleinste Form der Rakete. Die Preise der größeren Raketen sollen vergleichbar mit den Startpreisen der Falcon 9 von SpaceX sein.

Es ist fraglich, ob Mitsubishi Heavy Industries mit diesen Preisen tatsächlich kostendeckend arbeitet oder nur aus Prestige-Gründen die Preisvorgaben der Regierung erfüllt. Der Großkonzern ist Hauptauftragnehmer für die japanische Rüstung und kann Kosten mit anderen Aufträgen ausgleichen.

H3 macht vieles besser, aber nicht alles gut genug

Die H3 ist technisch tatsächlich etwas einfacher aufgebaut als die japanischen Vorgängerraketen. Die Technik des Haupttriebwerks der alten H-II war noch vergleichbar mit den komplexen Spaceshuttle-Haupttriebwerken, wenn auch bei niedrigerer Leistung. Die neuen LE-9 Triebwerke nutzen den einfacheren offenen Expanderzyklus, der zuvor schon bei den LE-5 Oberstufentriebwerken zum Einsatz kam.

Der Triebwerkstyp nutzt die Abwärme der Brennkammer, um mit heißem Wasserstoffgas die Turbinen der Treibstoffpumpen anzutreiben. Dabei geht ein Teil des Treibstoffs verloren, weil der Druck am Ausgang der Turbine kleiner als der Druck in der Brennkammer des Triebwerks ist.

Das senkt die Effizienz des Triebwerks im Vergleich zum geschlossenen Expanderzyklus, bei dem der Restdruck ausreicht, um den gesamten Treibstoff in der Brennkammer zu verbrennen, erlaubt aber auch höhere Pumpleistungen mit der gleichen Energiemenge aus dem Triebwerk.

Die Energie zum Antrieb der Pumpen stammt aus der Wand der Brennkammer, deren Oberfläche nur mit dem Quadrat des Durchmessers der Brennkammer wächst, während der Schub und die nötige Treibstoffmenge dem Volumen der Brennkammer entsprechen und mit der dritten Potenz wachsen. Eine höhere Pumpleistung aus der gleichen Energiemenge ermöglicht damit den Bau deutlich größerer Triebwerke, deren Brennkammer mehr Energie für die Pumpen zur Verfügung stellen und den Bau noch größerer Triebwerke zulassen. Die Grenze des größtmöglichen Schubs steigt deutlich, allerdings bei fünf Prozent weniger Treibstoffeffizienz.

Der Aufbau der Triebwerke ist allerdings immer noch komplizierter als bei den Merlin-1D-Triebwerken von SpaceX und die Produktionszahlen sind auch deutlich niedriger. SpaceX stellt jedes Jahr 100 Triebwerke allein für die Oberstufen her, zusätzlich zu neuen wiederverwendbaren Raketenstufen, die fast 20 Flüge demonstriert haben. Das große Produktionsvolumen senkt die Stückkosten, weil die Produktionsanlagen besser ausgelastet werden.

Erst die nächste Generation wird Konkurrenz für SpaceX

Die H3 ist mit ihren drei verschiedenen Triebwerkstypen viel komplizierter aufgebaut als die Falcon 9. Sie nutzt das kleine LE-5B-3 in der Oberstufe, das LE-9 in der Hauptstufe und die Feststoffbooster, die alle eigene Tankstrukturen benötigen. Bei SpaceX werden alle diese Aufgaben nur durch Merlin-Triebwerke und gemeinsame Tankstrukturen erfüllt und jeweils nur eine gut ausgelastete Produktionsanlage erfordern. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die H3 trotz vergleichbarer Listenpreise keine Konkurrenz zur Falcon 9 darstellen wird.

Die Rakete wird hauptsächlich in Konkurrenz zu Vulcan und Ariane 6 sowie zur indischen LVM3 stehen. Die Bedeutung dieser Raketen liegt in der nationalen Sicherung des Zugangs zum Weltraum und der Verhinderung eines SpaceX-Monopols, nicht in tatsächlicher Konkurrenzfähigkeit.

Erst die nächste Generation wiederverwendbarer Raketen, wie die Neutron von Rocketlabs oder die New Glenn von Blue Origin, könnte daran etwas ändern. Sie sind von Anfang an für Wiederverwendung ausgelegt und könnten so niedrigere Betriebskosten und schnellere Wiederverwendung erreichen. Allerdings fehlt beiden Firmen die Erfahrung mit hohen Startraten. SpaceX startet inzwischen zwei Raketen pro Woche.

In Europa ist vor 2030 kaum mit größeren wiederverwendbaren Raketen zu rechnen. Arianespace arbeitet immer noch an der Ariane 6 und hatte nie einen Nachfolger vor 2030 geplant. Raketen von kleineren Start-ups sind noch nicht einsatzbereit. Sie erreichen aber weder die Leistung größerer Trägerraketen noch sind sie konsequent auf Wiederverwendung ausgelegt.

Erstflüge mit teurer Nutzlast bleiben große Risiken

Ob SpaceX mit dem Starship die Entwicklung eines Nachfolgers gelingt, wird sich in den nächsten Jahren zeigen müssen. Wegen der Größe und Kosten des Starship müssen sowohl die erste als auch die zweite Stufe kostendeckend wiederverwendet werden, um die geplanten niedrigen Startkosten zu erreichen. Allerdings gelang es SpaceX in zwei Flügen des Starship bislang weder der Ansatz eines Landemanövers noch den Flug in den Orbit zu demonstrieren. Die Falcon 9 erreichte den Orbit mit viel Glück schon beim ersten Flug, die Falcon 1 erst beim vierten Versuch.

Fehlschläge oder zumindest technische Auffälligkeiten beim ersten Startversuch sind dabei normal. Der gänzlich problemlos verlaufene Erstflug der Vulcan im Januar ist insofern bemerkenswert. Auch die Nutzlast der ersten Ariane 6 soll sich auf Cubesats beschränken, nachdem Arianespace bei den fehlgeschlagenen ersten Flügen der Ariane 5 und Ariane 5 ECA Forschungs- und Nachrichtensatelliten im Wert mehrerer Hundert Millionen Euro zerstörte.

Deshalb ist es unverständlich, weshalb der erste Flug der H3 einen teuren Satelliten statt reiner Testnutzlasten, wie jetzt im zweiten Flug, transportierte. Die Lernprozesse in der Raumfahrt verlaufen nicht nur bei der Entwicklung der nächsten Raketengeneration oft viel zu langsam.

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