Ist die ESA bereit, eine kommerzielle Version von „Courier Boy“ zu entwickeln?

Kürzlich hat die ESA die Einführung eines Wettbewerbs für kommerzielle Frachten angekündigt. Dieser Wettbewerb richtet sich an europäische Unternehmen, die Lösungen für kommerzielle Frachtraumfahrzeuge suchen, mit denen bis 2028 ein Hin- und Rücktransport zwischen der Raumstation und der Erde möglich ist. Warum entwickelt die ESA private Frachtraumfahrzeuge? Welche kommerziellen Luft- und Raumfahrtunternehmen in Europa haben derzeit Pläne zur Entwicklung von Frachtraumfahrzeugen?

Vergangenheit und Gegenwart europäischer Raumtransporter

Das erste Frachtraumschiff der Welt, Progress 1, wurde am 20. Januar 1978 von der Sowjetunion gestartet. Während des gesamten 20. Jahrhunderts dominierte die Sowjetunion den Bau und Start von Frachtraumschiffen. Laut Statistik hat die Sowjetunion/Russland 173 Frachtraumschiffe der Progress-Serie gestartet.

Allerdings verfügt das Frachtraumschiff Progress nur über eine Transportkapazität von 2,3 Tonnen und muss sechsmal im Jahr gestartet werden, um den Bedarf der Internationalen Raumstation zu decken. Um ihre Abhängigkeit vom russischen Frachtraumfahrzeug Progress zu verringern, nutzte die ESA diese historische Gelegenheit und übernahm die Führung bei der Entwicklung eines Einweg-Frachtraumfahrzeugs – des Automatic Cargo Spacecraft – und sammelte so umfassende Forschungs- und Entwicklungskapazitäten für Raumfahrzeuge.

Das automatische Frachtraumschiff hat eine zylindrische Struktur, ist 9,794 Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,48 Metern, kann insgesamt 20,7 Tonnen Fracht transportieren und hat ein Innenvolumen von 48 Kubikmetern. Die Außenseite des Raumfahrzeugs ist mit Aluminiumfolie und Mikrometeoroid-Schutzplatten bedeckt. Es verfügt über vier X-förmig verteilte Solarmodule mit einer Flügelspannweite von bis zu 22,28 Metern, die das Raumfahrzeug mit einer Leistung von 4,8 Kilowatt versorgen können.

Das Raumfahrzeug ist modular aufgebaut, sodass verschiedene Abschnitte und Module parallel integriert und getestet werden können, wobei auch nachfolgende Missionen berücksichtigt werden. Es ist mit verschiedenen Missionsmodulen kompatibel und besteht hauptsächlich aus zwei Abschnitten: einer integrierten Frachtkabine und einer Servicekabine. Das integrierte Frachtmodul nimmt 60 % des Gesamtvolumens ein. Es wird vom Servicemodul angetrieben und gesteuert und ist in zwei Teile unterteilt: die Druckkabine und die drucklose Kabine. Das Raumfahrzeug verfügt über ein hochpräzises Navigationssystem, hochredundante Flugsoftware und ein vollständig autonomes Überwachungs- und Kollisionsvermeidungssystem mit unabhängiger Stromversorgung, Steuerung und Triebwerken. Das Raumfahrzeug nutzt eine GPS-Navigationstechnologie für kooperatives, autonomes Rendezvous und Andocken, um ein vollautomatisches Andocken an das russische Modul der Internationalen Raumstation „Swesda“ zu erreichen.

Darüber hinaus ist das Automatic Cargo Spacecraft neben Progress das einzige Frachtraumschiff auf dem Weg zur Internationalen Raumstation, das für Treibstoffnachschub, Lageregelung und eine Verbesserung der Umlaufbahn sorgen kann. Es handelt sich zudem um das Frachtraumschiff mit der größten bisher gestarteten Tragfähigkeit, wobei die Transportkapazität mehr als dreimal so hoch ist wie die der Raumschiffe der Progress-Serie. Bei jedem Start können 6,5 Tonnen Fracht und Treibstoff zur Internationalen Raumstation transportiert werden. Weitere 2,5 Tonnen eigener Treibstoff werden für die Anhebung der Umlaufbahn und die Lageregelung der Raumstation verwendet, wodurch der stabile Betrieb der Raumstation über lange Zeit sichergestellt werden kann.

Die Kosten für einen einzelnen Start des automatischen Frachtraumschiffs betragen 480 Millionen US-Dollar, und die Stückkosten für die Fracht betragen 74.000 US-Dollar pro Kilogramm. Im Vergleich dazu betragen die Stückkosten für die Fracht des Dragon-Frachtraumschiffs 44.800 USD/kg, des Cygnus-Raumschiffs 62.100 USD/kg und des Progress MS-Raumschiffs 32.000 USD/kg.

Von 2008 bis 2014 führte das automatische Frachtraumschiff fünf Missionen erfolgreich durch. Mit der boomenden Kommerzialisierung von Raumtransportern traten die Nachteile automatischer Raumtransporter, wie lange Vorbereitungszyklen und mangelnde Wirtschaftlichkeit, immer deutlicher hervor, sodass sie 2014 schließlich außer Dienst gestellt wurden. Glücklicherweise einigten sich NASA und ESA darauf, dass die ESA für Orions „Exploration Mission 1“ ein auf dem automatischen Raumtransporter basierendes Servicemodul namens „European Service Module“ bereitstellen würde. Europa verfügt derzeit über kein eigenständiges Frachtraumfahrzeug mehr, das gestartet werden könnte.

Überlegungen der ESA zur Kommerzialisierung

Aus vier Gründen könnte die ESA den Wunsch hegen, kommerzielle Frachtraumfahrzeuge zu entwickeln.

Der erste Schritt besteht darin, das erfolgreiche Modell der amerikanischen kommerziellen Luft- und Raumfahrt zu kopieren, dem Trend zur kostengünstigen Entwicklung Rechnung zu tragen und die europäische Wirtschaftsentwicklung durch die Luft- und Raumfahrtwirtschaft voranzutreiben.

Hochwertige und kostengünstige Produkte und Dienstleistungen sind wichtige Verhandlungsmasse für die Kommerzialisierung des Weltraums, um Überlebensraum zu gewinnen. Derzeit ist in der gesamten Weltraumforschung ein Trend zur kostengünstigen Entwicklung zu erkennen. Dem US-Unternehmen SpaceX ist die Bergung und der Neustart der Erststufenrakete gelungen, wodurch die Kosten für Raketenstarts weiter gesenkt wurden. Unter diesen Umständen ist die weitere Kostenkontrolle bestehender Frachtraumfahrzeuge mit ausgereifter Technologie und die Durchführung privater Operationen zu einem unvermeidlichen Trend in der Entwicklung der internationalen Luft- und Raumfahrt geworden. Die Vereinigten Staaten haben bei der Kommerzialisierung dieses Bereichs die Führung übernommen.

Der ESA-Wettbewerb war eindeutig vom Commercial Orbital Transportation Services-Programm der NASA inspiriert. In dem Plan wird die NASA lediglich als Nutzer auftreten und Unternehmensdienstleistungen erwerben, während kommerzielle Unternehmen für den gesamten Betrieb verantwortlich sein werden. Private Unternehmen werden die treibende Kraft bei der Forschung, Entwicklung und Herstellung von Raumfahrzeugen sein, während die NASA für die Aufsicht verantwortlich sein wird. Dabei handelt es sich um eine äußerst innovative und kosteneffiziente Lösung, die zur Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Volkswirtschaft beitragen und den Wettbewerbsvorteil des Landes in der Weltwirtschaft stärken wird.

Das zweite Ziel besteht darin, Innovationen anzuregen und die Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie zu fördern. Durch die Einführung eines Wettbewerbs zwischen kommerziellen Unternehmen bei der Entwicklung, dem Bau und der Einführung von Frachttransportsystemen werden nicht nur die Transportkosten gesenkt, sondern auch das Innovationstempo in der bemannten Raumfahrttechnologie Europas beschleunigt, die technologischen Möglichkeiten verbessert und die Kosten gesenkt sowie eine neue, wettbewerbsfähige industrielle Basis für die Luft- und Raumfahrt geschaffen. Die ESA kann die Entwicklung der europäischen Raumfahrtindustrie weiter fördern, indem sie mit kommerziellen Unternehmen zusammenarbeitet, um ein nachhaltiges kommerzielles Raumfahrt-Ökosystem zu schaffen.

Drittens haben die ESA und kommerzielle Unternehmen ihre eigenen Schwerpunkte, die die Entwicklung der gesamten europäischen Luft- und Raumfahrtindustriekette fördern werden. Die aktuelle globale geopolitische Landschaft wird neu strukturiert und tiefgreifende Veränderungen in der Raumtransportbranche und auf dem Markt für kommerzielle Starts gehen mit neuem Wettbewerb, Innovationen und Geschäftsrisiken einher. Wenn Europa in einem sich rasch wandelnden internationalen Umfeld seine Bedeutung behalten und zu einem weltweit führenden Raumfahrtunternehmen werden möchte, das mit anderen Ländern konkurrieren kann, muss es seine Abhängigkeit von der Weltraumkooperation verringern.

Um die Entwicklung seiner Fähigkeiten voranzutreiben, sollte der europäische Raumfahrtsektor auch die Anziehung privater Investitionen in Erwägung ziehen. Dieser Wettbewerb steht im Einklang mit den Anforderungen des Europäischen Weltraumentwicklungsplans, der auf die Ausgliederung des Bereichs der niedrigen Umlaufbahnen des europäischen Weltraums abzielt, während die ESA mehr Energie in längerfristige und komplexere bemannte Weltraumerkundungsaktivitäten im tiefen Weltraum investieren wird, um die Entwicklung der gesamten industriellen Kette im europäischen Weltraumbereich voranzutreiben und die Abhängigkeit Europas von der Außenwelt im Weltraumbereich zu verringern.

Viertens wird die kommerzielle Entwicklung von Frachtraumfahrzeugen eine Voraussetzung für bemannte Raumfahrzeuge sein. „Wir werden es auch so konzipieren, dass es keine Sackgasse darstellt, also offen ist und zukünftig zu einem bemannten Fahrzeug weiterentwickelt werden kann“, sagte ESA-Generaldirektor Josef Aschbach über das Frachtfahrzeug.

Aus Finanzierungsgründen versuchte die ESA nicht, sofort bemannte Raumfahrzeuge zu entwickeln. Stattdessen betrachtete man kommerzielle Frachtraumschiffe als ersten Schritt in die bemannte Raumfahrt und beabsichtigte, auf den Entwicklungsideen des Dragon-Raumschiffs aufzubauen. Die erste Generation wird Fracht transportieren, während sich die zweite Generation auf bemannte Raumflüge konzentriert.

Europäische kommerzielle Raumfahrtunternehmen auf dem Vormarsch

Die ESA hofft, dass die in diesem Wettbewerb gesammelten Vorschläge eine Nutzlastkapazität von 2 Tonnen für die Aufwärtsfahrt und 1 Tonne für die Abwärtsfahrt erreichen können. In der ersten Phase des Plans (September 2023 bis Juni 2024) beabsichtigt die ESA, zwei bis drei Unternehmen auszuwählen, die die Entwicklung ihrer Frachtraumfahrzeuge vorantreiben, bis der vorläufige Entwurf feststeht und eine entsprechende Drittmittelfinanzierung gesichert ist. Mehrere kommerzielle Unternehmen in Europa haben bereits ihre Entwürfe für Hin- und Rücktransport-Frachtraumfahrzeuge vorgelegt.

Französisches Explorationsunternehmen plant den Start eines neuen Orbiters namens Nyx. Das Raumfahrzeug hat einen Durchmesser von 4 Metern, wiegt 8 Tonnen und verfügt über eine Nutzlast von 4 Tonnen. Ähnlich wie das Raumschiff Dragon verwendet es ein zweistufiges Design aus Rückkehrkapsel und Frachtraum, nutzt offene Schnittstellen zum Aufbau technischer Module, kann viele Male zurückkehren und wiederverwendet werden und kann im Orbit aufgetankt werden. Nach dem Andocken kann das Raumschiff sechs Monate lang in der Umlaufbahn fliegen und die geplanten Frachtkosten betragen 21.400 US-Dollar pro Kilogramm.

Eine künstlerische Darstellung der Raumsonde Nyx der Discovery.

Die deutsche Raketenfabrik Augsburg plant den Start des mittelgroßen Frachtraumschiffs Argo, das über Fenix-Triebwerke, eine Edelstahlkonstruktion und automatische Andockfunktionen verfügen soll. Das Raumfahrzeug verfügt über eine Nutzlast von 3,4 Tonnen und ein unter Druck stehendes Frachtraumvolumen von etwa 13 Kubikmetern. Das Unternehmen plant außerdem eine Zusammenarbeit mit Atmos Space Cargo, einem deutschen Entwickler von Rückkehrkapseln für biowissenschaftliche Experimente, um gemeinsam eine integrierte aufblasbare Wiedereintrittskapsel zu entwickeln, die das Problem des Wiedereintritts und der Bergung lösen soll. Interessanterweise wird Argo mit verschiedenen Trägerraketen kompatibel sein, was es hinsichtlich Einsatz und Start flexibel macht.

Man muss abwarten und beobachten, wie sich Europas bergbares Frachtraumfahrzeug weiterentwickelt. Wir hoffen auch, dass mehr Produkte am Wettbewerb um kommerzielle Frachtraumfahrzeuge teilnehmen können. (Autor: Wang Ludi, Wang Zhaolei, Bildquelle: Französisches Explorationsunternehmen, Prüfexperte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)