Wenn ein neues Raketentriebwerk es auf den Teststand P5 schafft, dann wird es ernst. Am Standort Lampoldshausen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden die künftigen Triebwerke der europäischen Schwerlastraketen gezündet. Als Nächstes ist der Prometheus-Antrieb an der Reihe. Zum genauen Zeitrahmen der Tests äußern sich weder das DLR noch die ArianeGroup. Aus der Raketenbranche ist aber zu hören, dass die Tests im Frühsommer stattfinden sollen.
Prometheus ist bereits gezündet worden: Im Juni 2023 hat der Raketenbauer ArianeGroup, der das Triebwerk entwickelt hat, erstmals sogenannte Hotfire-Tests am Standort Vernon durchgeführt. Die nun angesetzten Tests gehen weit darüber hinaus. „Das ist der erste längere Hotfire-Test, bei dem wir höhere Lastpunkte anfahren können, die unser Prüfstand in Vernon nicht hergibt. Das Ziel ist, Prometheus über die gesamte Brenndauer einer realen Mission zu testen“, sagt Gerald Hagemann, Leiter des Standorts Ottobrunn, wo die ArianeGroup ihre Brennkammern fertigt.
Inhaltsverzeichnis
Was ist das Besondere an Prometheus?
Prometheus ist ein LOX/Methan-Motor, er nutzt also Methan als Brennstoff und Flüssigsauerstoff als Oxidator. Die bisherigen europäischen Großmotoren, darunter die Antriebe Vinci und Vulcain 2.1 der Ariane 6, nutzen als Brennstoff in der Regel Wasserstoff. Die Methannutzung ist eine Neuheit in Europa, in den USA hingegen bereits bei Großtriebwerken verbreitet. Der Raptor-Antrieb des Raketenbauers SpaceX und der BE-4 von Blue Origin verbrennen ebenfalls Methan.
Prometheus soll wiederverwendbar sein – eine Premiere bei Europas Großtriebwerken. Und er soll den Eintritt in den Low-Cost-Bereich markieren: Die Produktionskosten sollen bei einem Zehntel der Kosten heutiger Motoren liegen.
Was sind die Vorteile von Methan gegenüber Wasserstoff?
Im europäischen Kontext ist es sinnvoll, Methan mit Wasserstoff zu vergleichen. Drei Hauptvorteile sprechen für Methan. Erstens hat der Brennstoff die grob sechsfach höhere Dichte; große Teile der Rakete – darunter auch die schweren Strukturen – können kleiner und leichter gebaut werden. Die Stufen sind dadurch auch kürzer und im Flug leichter zu steuern.
Lesen Sie auch: Die Antriebe, mit denen die Ariane 6 Satellitenkonstellationen aussetzt
Zweitens ist Methan gutmütiger im Umgang als der explosive Wasserstoff. Das kommt vor allem am Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guyana, zum Tragen.
Drittens sind Methan und Sauerstoff in einem ähnlichen Temperaturbereich flüssig; sie bilden ein gutes Match. Methan verdampft bei 112 K und Sauerstoff bei 90 K, Wasserstoff hingegen schon bei 21 K. Wegen des ähnlichen Siedepunktes können die Leitungen beider Treibstoffkomponenten teilweise nebeneinander verlaufen; Designaufwand und Bauraum schrumpfen.
Was sind die Nachteile von Methan?
Wasserstoff hat einen um 30 % höheren spezifischen Impuls. Das ist der Schub pro durchgesetztem Massenstrom, die Einheit, mit der die Raketenindustrie die Treibstoffeffizienz bemisst. Der zweite Nachteil des Methans: Europa hat viel mehr Erfahrung mit Wasserstoff und über Jahrzehnte seine gesamte Testinfrastruktur auf Wasserstoff ausgerichtet, auch in Lampoldshausen.
Die ArianeGroup schätzt die Anpassungen allerdings als überschaubar ein. „Wir haben eine perfekte LH2-Infrastruktur in Europa. Die können wir mit geringem Aufwand umwidmen. Mit Flüssigwasserstoff beherrschen wir schon das Schwierigste“, sagt Hagemann.
Der ebenfalls erwogene Brennstoff Kerosin hätte hingegen gravierende Änderungen erfordert. Zum Beispiel hätte Europa neue Prüfstände bauen und in den Boden Abscheidevorrichtungen einlassen müssen. „Von Wasserstoff kommend ist es einfacher, auf Methan als auf Kerosin umzustellen“, sagt Hagemann.
Wo wird Prometheus genutzt?
Die ArianeGroup will den Antrieb in den Hauptstufen künftiger Schwerlastraketen einsetzen. Prometheus soll beim Start in etwa 100 t Schub liefern können. Der Antrieb liegt damit in der Größenordnung des Hauptstufenantriebs der Ariane 6: Vulcain 2.1.
Hinzu kommt die Nutzung in Themis, einem Raketendemonstrator, mit dem die europäische Weltraumagentur ESA Technologien zur Wiederverwendbarkeit von Raketenstufen erprobt. Die ESA nennt Themis die „Mutter von Prometheus“. Im Rahmen eines sogenannten Hop-Tests (dt.: Hüpfer) könnte Prometheus noch in diesem Jahr erstmals vom Boden abheben. Der Test soll am schwedischen Weltraumbahnhof Kiruna stattfinden.
Eine zusätzliche Anwendung ist die künftige Kleinrakete Maia. Deren Raketenbauer MaiaSpace ist eine Tochter der ArianeGroup. Der erste Maia-Start soll 2027 stattfinden.
Die ArianeGroup denkt zudem darüber nach, Prometheus als Ersatz für die heutigen Feststoffbooster der Ariane-Familie (P120 und P160) weiterzuentwickeln. Mit diesen seitlich an der Rakete festgeschnallten Triebwerken versorgt sich die Ariane 6 in den ersten Flugminuten mit dem Großteil des benötigten Schubs. „Die Idee ist, mit LOX/Methan den Feststofftreibstoff zu ersetzen“, sagt Hagemann und verweist auf das Best!-Programm im sogenannten FLPP (Future Launcher Preparatory Programme, dt.: Vorbereitungsprogramm für künftige Trägerraketen) der europäischen Weltraumagentur ESA.
Warum will die ArianeGroup Themis als Booster nutzen?
Das P120 galt als größter Carbonmotor der Welt, das P160 ist noch einmal größer. Beide sind aufwendig in der Fertigung, weil für die Motorgehäuse eine komplexe Wickeltechnologie erforderlich ist. Die Boosterfertigung in Europa ist laut ArianeGroup auf annähernd 40 Stück pro Jahr gedeckelt – wenn größere Investitionen ausbleiben.
Die Alternative sieht der Raketenbauer darin, ein Themis-Derivat mit dem Prometheus-Antrieb als Feststoffbooster-Ersatz zu nutzen. Themis und das P120 sind in etwa gleich groß: Beide können 350 t Schub produzieren. „Ein von Themis abgeleiteter LRB (Liquid Rocket Booster – Flüssigbooster, Anm. d. Red.) wäre vom Schub her ein 1:1-Substitut“, sagt Hagemann.
Das würde auf eine Homogenisierung der europäischen Triebwerksfamilie hinauslaufen: Mehrere Prometheus-Motoren würden die Hauptstufe antreiben, ähnlich – wenn auch nicht genauso – wie beim Konkurrenten SpaceX, der acht Merlin-Antriebe an der Hauptstufe der Rakete Falcon 9 nutzt.
Wie viele Prometheus-Antriebe pro Jahr will die ArianeGroup bauen?
Für die kommenden Jahre ist eine Kadenz von 50 pro Jahr angepeilt. Das ist viel mehr als bei den Ariane-6-Triebwerken Vinci und Vulcain 2.1, von denen die ArianeGroup jeweils grob zehn baut.
Lesen Sie auch: Alles auf Serie – der Hochlauf der Ariane 6 in der Fertigung
Die größere Serie schlägt sich in der Auswahl der Fertigungstechnologien nieder. Die ArianeGroup nutzt inzwischen das Kaltgasspritzen, ein additives Verfahren, um Beschichtungen aufzubringen. Bislang hat sie die Beschichtungen galvanisch aufgebracht. Das Resultat: Statt wie bisher nach 55 Tagen ist die Brennkammer nun nach zehn Tagen beschichtet.
Ein zweites Beispiel ist die Produktion der Brennkammerrohlinge. Hier hat sich die ArianeGroup – nur vordergründig anachronistisch – gegen das additive Verfahren entschieden. Die Rohlinge druckt der Raketenbauer nicht etwa; er gießt sie im Batch und fräst anschließend die Kühlkanäle hinein. Die Kombination aus Gießen und Schmieden ist laut dem Standortleiter Gerald Hagemann sowohl weniger zeitaufwendig als auch um die Hälfte billiger.
Ein Beitrag von:
