Die Enterprise gleitet ins Raumdock. Keine großen Triebwerke, keine dramatische Musik. Ein paar kurze Stöße irgendwo an der Hülle, das Schiff dreht sich um die eigene Achse und bleibt stehen. Zwei Sekunden auf dem Bildschirm, dann spricht Picard schon wieder mit jemandem.
Diese Stöße liefern die Manövriertriebwerke. Manövrierdüsen geht leichter über die Lippen, im Original heißen sie Reaction Control System, kurz RCS. Sie sind das unauffälligste System an Bord. Mir fällt keine Folge ein, in der sie die Rettung bringen. Dabei sind sie der einzige Antrieb der Enterprise mit einem echten Vorbild. Space Shuttle, Apollo und die ISS nutzen zum Steuern dasselbe Prinzip.
Zwei Dinge haben mich beim Nachlesen überrascht. Die Autoren der Serie haben bei der NASA abgeschrieben, bis zum einzelnen Wort. Und die Zahl, die im Buch am unglaublichsten wirkt, erweist sich bei genauerem Hinsehen als die vernünftigste von allen.
Was Manövrierdüsen eigentlich machen
Im Weltraum fehlt alles, wogegen man sich abstoßen könnte. Keine Luft für ein Ruder, keine Straße für ein Rad. Wer ein Raumfahrzeug bewegen will, muss Masse wegwerfen, und zwar in die entgegengesetzte Richtung. Das ist Newtons drittes Gesetz in seiner stursten Form: Jede Kraft erzeugt eine gleich große Gegenkraft.
Eine Manövrierdüse tut genau das. Sie stößt für einen Sekundenbruchteil Gas aus, das Fahrzeug bewegt sich ein winziges Stück in die Gegenrichtung. Wenn mehrere Düsen weit auseinander an der Außenhaut sitzen, kann sich das Fahrzeug um alle drei Achsen drehen: Nicken, Gieren, Rollen. Wenn zwei an entgegengesetzten Punkten gleichzeitig in dieselbe Richtung feuern, heben sich ihre Drehmomente auf. Das ganze Schiff schiebt sich seitwärts. Genau das braucht man zum Andocken.
Fürs Drehen allein gibt es übrigens einen zweiten Weg, der ganz ohne Auswurf auskommt. Er kommt später und erklärt, warum die ISS ihre Düsen meidet.
Der Impulsantrieb der Enterprise nutzt zwar ebenfalls Rückstoß, aber dahinter steckt eine ganz andere Maschine mit einer anderen Aufgabe: Er bringt das Schiff von A nach B, während das RCS es ausrichtet. Wie er das schafft, ist eine eigene Geschichte.
Die Manövrierdüsen der Enterprise laut Technical Manual
Der Kanon dazu steht im Star Trek: The Next Generation Technical Manual von Rick Sternbach und Michael Okuda, erschienen 1991 bei Pocket Books. Die beiden berieten die Serie in technischen Fragen. Das Buch ist damit keine Fan-Erfindung, sondern die Hausbibel der Produktion. Die Manövriertriebwerke haben dort ihren Platz in Abschnitt 7.3 auf den Seiten 85 und 86.
Die Enterprise-D besitzt im verbundenen Zustand sechs Haupt- und sechs Hilfstriebwerke. Sie halten die Lage, stabilisieren im Driftmodus und übernehmen die Manöver im Raumdock. Sie sitzen an der Außenhaut in Gruppen, die das Buch Quads nennt. Die zugehörige Zeichnung kennzeichnet vierzehn solcher Gruppen: vier an der Untertasse, also der großen flachen Scheibe vorn, zwei an der Sekundärhülle darunter und acht an den beiden Warpgondeln.
Ein Haupttriebwerk besteht aus drei Teilen. Vorn eine Gas-Fusionskammer, die Deuterium verbrennt, also schweren Wasserstoff. Dahinter eine magnetohydrodynamische Energiefeldfalle, kurz MHD-Falle. Sie zapft dem heißen Abgas unterwegs Energie ab. Am Ende zwei Schubdüsen, eine obere und eine untere, beide schwenkbar. Das verbrannte Deuterium selbst wird ausgeworfen, es dient zugleich als Brennstoff und Stützmasse.
Die Kammer hat einen Durchmesser von 3,1 Meter und besteht aus Hafniumkarbid, einem realen Werkstoff mit einem der höchsten bekannten Schmelzpunkte. Das Buch gibt sogar die Wartungsintervalle an: Nach 400.000 Zündungen oder 5.500 Betriebsstunden muss die Innenwand raus.
Die MHD-Falle besteht aus zwei Stufen. Die erste fängt einen Teil des ausströmenden Plasmas auf und führt die Energie ins Bordnetz zurück. Die zweite drosselt den Abgasstrom auf seinem Weg in die Düse.
Und dann die Schubwerte: Jede aktive Düse liefert 3 Millionen Newton, beide zusammen 5,5 Millionen. Die kleineren Hilfstriebwerke schaffen 450.000 Newton. Sie haben statt der Fusionskammer eine Mikrofusionskammer und kommen ohne MHD-Falle aus.
Beim Nachzählen blieb ich dann hängen. Der Einleitungssatz spricht von sechs Haupt- und sechs Hilfstriebwerken. Einen Absatz weiter stehen vier plus vier an der Untertasse und zwei plus zehn an der Sekundärhülle. Bei den großen stimmt die Rechnung, vier und zwei ergeben sechs. Bei den kleinen zähle ich vierzehn statt sechs. Die Gondeln, die laut Zeichnung acht Quads tragen, tauchen im Fließtext überhaupt nicht auf.
Vielleicht bezieht sich der Einleitungssatz nur auf die Triebwerke, die im verbundenen Zustand gebraucht werden, während der Rest auf die Untertassen-Trennung wartet. Das Buch erklärt es nicht. Ich habe die Stelle mehrmals gelesen und weiß immer noch nicht sicher, wie viele Düsen dieses Schiff eigentlich besitzt.
Wie echte Raumschiffe ihre Lage halten
Echte Manövrierdüsen nutzen keine Fusion, sondern Chemie. Genauer gesagt eine Sorte Chemie, die seit den sechziger Jahren praktisch unverändert fliegt: hypergole Treibstoffe.
Hypergol bedeutet, dass Brennstoff und Oxidator, also der Sauerstofflieferant, sich von selbst entzünden, sobald sie sich berühren. Kein Zündfunke, keine Vorglühzeit. Eine zweite Entscheidung kommt dazu: Beide Flüssigkeiten stehen unter Heliumdruck. Das Gas drückt sie in die Brennkammer, eine Pumpe ist nicht nötig. Man öffnet zwei Ventile, schon brennt es. Ein System, dessen einzige bewegliche Teile die Ventile sind, ist im Weltraum ein Segen. Was es nicht gibt, kann auch nicht kaputtgehen.
Space Shuttle: 44 Düsen und acht Hundertstelsekunden
Der Orbiter besaß drei RCS-Module: eines in der Bugsektion und jeweils eines in den beiden hinteren Rumpfgondeln. Insgesamt 38 Primärtriebwerke mit je 870 Pfund Schub, also rund 3.870 Newton. Dazu sechs kleinere Verniertriebwerke mit je 24 Pfund, rund 106 Newton, für die ganz feinen Korrekturen.
Beide Sorten nutzten Monomethylhydrazin (MMH) als Brennstoff und Distickstofftetroxid (N2O4) als Oxidator. Die kürzeste mögliche Zündung eines Primärtriebwerks dauerte 0,08 Sekunden, die längste 150 Sekunden. Ein Primärtriebwerk war für 100 Missionen, 20.000 Zündungen und insgesamt 12.800 Sekunden Brenndauer ausgelegt. Das ergibt dreieinhalb Stunden Feuer über ein ganzes Triebwerksleben, verteilt auf 20.000 Stöße mit durchschnittlich zwei Dritteln einer Sekunde. Die kleinen Verniertriebwerke verkraften deutlich mehr: 330.000 Zündungen und 125.000 Sekunden. Je kleiner die Düse, desto häufiger darf sie feuern. So ist die Regel in der Raumfahrt.
Apollo: 4 Quads und ein zweites System für den Rückweg
Beim Apollo-Servicemodul waren 16 Triebwerke in vier Vierergruppen angebracht, alle 90 Grad um den Rumpf verteilt. Die NASA bezeichnete diese Vierergruppen als Quads. Genau dasselbe Wort findet sich im Technical Manual. An diesem Punkt wird aus der Ähnlichkeit eine Anleihe.
Jedes dieser Triebwerke war ein Marquardt R-4D mit 30 Zentimeter Länge, 15 im Durchmesser und 100 Pfund Schub, also rund 445 Newton. Auch hier Monomethylhydrazin und Distickstofftetroxid aus Tanks unter Heliumdruck. Dieselbe Bauform kommt in Nachfolgeversionen bis heute auf Satelliten zum Einsatz.
Was häufig untergeht: Die Kommandokapsel besaß ein eigenes, völlig unabhängiges System mit zwölf kleineren Triebwerken zu je 93 Pfund, rund 414 Newton. Es kam erst zum Einsatz, wenn das Servicemodul schon längst abgetrennt war. Die Kapsel fiel durch ihren versetzten Schwerpunkt von selbst hitzeschildvoran. Die zwölf Düsen hielten aber die Rolllage und dämpften das Pendeln. Davon hing ab, wo genau im Pazifik sie ankam. Redundanz ist in der Raumfahrt selten Luxus.
ISS: 32 Düsen und ein Satz Kreisel
Die Internationale Raumstation regelt ihre Lage über das russische Servicemodul Swesda. Die NASA gibt für dieses Modul 32 Triebwerke zur Lageregelung und zwei große für Bahnmanöver an. Die kleinen liefern jeweils 130 Newton. Die beiden großen leisten je 3.070 Newton und können um fünf Grad geschwenkt werden.
Swesda nutzt als einziges der drei Systeme kein MMH, sondern unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH), die sowjetische Hausmarke. Der Oxidator ist wieder Distickstofftetroxid, für den Druck sorgt Stickstoff statt Helium. Vier Tanks mit zusammen 860 Kilogramm.
Hier ist der zweite Weg zum Drehen, den ich oben angekündigt habe. Der eigentliche Trick der ISS besteht nämlich darin, ihre Düsen so selten wie möglich zu benutzen. Vier Momentenkreisel am amerikanischen Teil der Station übernehmen die Feinausrichtung, montiert am Z1-Gitter. Die Russen bezeichnen solche Geräte als Gyrodine. Ihre Rotoren drehen sich konstant mit rund 6.600 Umdrehungen pro Minute. Gedreht wird nicht der Rotor, sondern dessen Aufhängung. Sein Widerstand gegen das Kippen wirkt dabei als Drehmoment auf die Station. Sie benötigen Strom statt Treibstoff, und die Solarzellen liefern den Strom umsonst. Die Station erreicht mit den Düsen ein Grad Genauigkeit je Achse, mit den Kreiseln ein halbes.
Die Kreisel können den Drehimpuls nur aufnehmen, nicht loswerden. Irgendwann sind sie voll. Dann feuert das russische Modul sie wieder leer. Die beiden Seiten der Station unterstützen sich dabei gegenseitig.
Star Trek gegen echte Raumfahrt: der Vergleich
Vier Systeme mit derselben Aufgabe. Ihre Eckdaten nebeneinander:
| System | Anzahl | Schub je Triebwerk | Treibstoff | Energiequelle |
|---|---|---|---|---|
| Space Shuttle | 38 Primär, 6 Vernier | 3.870 N bzw. 106 N | MMH und N2O4 | chemisch, hypergol |
| Apollo-Servicemodul | 16 in 4 Quads | 445 N | MMH und N2O4 | chemisch, hypergol |
| ISS | 32 an Swesda, dazu 4 Kreisel am Z1-Gitter | 130 N | UDMH und N2O4 | chemisch, hypergol |
| Enterprise-D | 6 groß, dazu 14 kleine | 3.000.000 N je aktiver Düse | Deuterium | Kernfusion |
Das Grundkonzept stimmt. Kleine Düsen sitzen weit auseinander an der Außenhaut, zusammengefasst in Vierergruppen. Sie übernehmen Feinmanöver bei niedriger Geschwindigkeit, getrennt vom großen Antrieb. Ehrlicherweise gehört dazu: Im Vakuum gibt es kaum eine Alternative, jeder Konstrukteur landet zwangsläufig bei dieser Lösung. Die Anleihe liegt deshalb im Wortschatz, nicht im Prinzip. Wer Quads schreibt, hat ein NASA-Handbuch aufgeschlagen.
Auch die MHD-Falle ist kein erfundenes Wort. Magnetohydrodynamische Generatoren existieren wirklich. In den sechziger Jahren wurde intensiv daran geforscht: Man leitet heißes, ionisiertes Gas durch ein Magnetfeld, die Ladungsträger werden seitlich abgelenkt und an Elektroden abgegriffen. Strom aus strömendem Plasma, ohne ein einziges bewegliches Teil. Die sowjetische Anlage U-25 lieferte ab 1971 sogar Leistung ins Moskauer Netz. Trotzdem kam die Technik nie über Versuchsanlagen hinaus. Niemand hat bis heute Elektroden gefunden, die solche Temperaturen dauerhaft aushalten. Also genau die Sorte Technik, die ein Autorenteam gern aufgreift: real genug, um glaubwürdig zu klingen, ungelöst genug für das 24. Jahrhundert.
Die Zahl, die zu groß aussieht
Der Schub je Düse: 3 Millionen Newton. Das entspricht dem 775-Fachen eines Shuttle-Primärtriebwerks und dem 23.000-Fachen einer ISS-Düse. Zum Vergleich: Ein Haupttriebwerk des Space Shuttle erreichte im Vakuum gut zwei Millionen Newton. Eines von den dreien im Heck, deren Wasserstoffflamme auf den Startbildern kaum zu sehen ist. Eine einzelne Manövrierdüse der Enterprise liegt also darüber.
Und dann rechnet man weiter, und die Zahl wird kleiner. Die Enterprise-D besitzt laut demselben Buch knapp fünf Millionen Tonnen Masse. Ein Schub von 3 Millionen Newton ergibt daran eine Beschleunigung von 0,0006 Metern je Sekundenquadrat. Das Schiff kommt damit in zehn Minuten Dauerfeuer rund 100 Meter weit. Der Orbiter beschleunigt bei rund 100 Tonnen mit seinen 3.870 Newton etwa fünfundsechzigmal stärker. Die Enterprise ist gemessen an ihrer eigenen Masse also deutlich schwächer motorisiert als ein Space Shuttle. Und 100 Meter in zehn Minuten sind genau das Tempo, mit dem ein Schiff dieser Größe in ein Dock kriecht. Die Riesenzahl ist keine Angeberei. Sie passt zum Maßstab.
Was Star Trek verschweigt: der Tank
Echte Manövrierdüsen brauchen Treibstoff, der nicht nachwächst. Dieser Vorrat setzt der Mission eine harte Grenze. Die ISS hält ihre 860 Kilogramm nur dadurch, dass regelmäßig ein Progress-Transporter neuen Sprit liefert. Sie spart jeden Stoß, den ihre Kreisel übernehmen können. Das Technical Manual verschweigt den Tank übrigens nicht. Es nennt sogar seine Größe und lässt die MHD-Falle einen Teil der Energie zurückgewinnen. Zwei Systeme mit zwei Antworten auf dasselbe Problem: Die Station verzichtet, das Raumschiff recycelt.
Die Serie allein fragt nie danach. Niemand auf der Enterprise möchte wissen, wie viel Deuterium noch im Tank steckt. Dahinter steckt keine technische Schlamperei, sondern eine dramaturgische Entscheidung: Eine Tankanzeige schafft Spannung, aber sie tut das jede Woche aufs Neue. Irgendwann nervt sie.
Und genau diese Naht zwischen Buch und Serie macht es interessant. Der Dortmunder Physiker Metin Tolan ist die Rechnung von der anderen Seite angegangen und hat ein ganzes Buch daraus gemacht: Er nimmt eine Schubangabe aus dem Kanon und misst die Beschleunigung, die das Schiff auf dem Bildschirm tatsächlich erreicht. Dann rechnet er nach Kraft gleich Masse mal Beschleunigung zurück. Das Ergebnis: 158 Kilogramm. Das widerspricht nicht meiner Rechnung, sondern zeigt einen Widerspruch zwischen zwei Quellen. Das Buch ist in sich stimmig. Schub und Masse passen zueinander, und heraus kommt ein Schiff, das sich im Zeitlupentempo ins Dock schiebt. Die Serie zeigt Woche für Woche etwas anderes: eine Enterprise, die aus dem Stand losspringt.
Was bleibt
Wer die Voyager lieber in der Hand hält als auf dem Bildschirm sieht: Mein Baubericht zum Revell-Bausatz im Maßstab 1/670 ist hier im Blog zu finden. Und wer echten Weltraum statt gebauten möchte: Der Blutmond über dem Bergischen Land steht in der Rubrik Historic Horizons.
Mir gefällt Abschnitt 7.3 gerade deshalb, weil er so unspektakulär ist. Sternbach und Okuda hätten für die Manövriertriebwerke etwas erfinden können, Gravitonimpulse, Trägheitsfeldprojektoren, was auch immer. Stattdessen schlugen sie ein NASA-Handbuch auf, nahmen die Vokabel mit und sortierten anschließend ihre eigenen Zahlen so lange, bis Schub und Masse zusammenpassten. Auf derselben Doppelseite steht, dass die Triebwerkszählung zwei Absätze weiter nicht mehr aufgeht. Also ein sehr menschliches Dokument: sorgfältig dort, wo die beiden Lust hatten, und schlampig dort, wo sie ihnen ausging.
Beim nächsten Andockmanöver werde ich auf die kleinen Stöße an der Hülle achten. Das ist der eine Moment, für den Star Trek keine Ausrede braucht. Beim Impuls- und beim Warpantrieb ist das schwieriger. Genau deshalb nehme ich mir die als Nächstes vor.
Quellen
- Rick Sternbach und Michael Okuda: Star Trek: The Next Generation Technical Manual. Pocket Books, New York 1991, Abschnitt 7.3, Seiten 85 und 86.
- NASA Kennedy Space Center, Shuttle Technology Reference: Reaction Control System.
- NASA: Zvezda Service Module. Boeing/NASA Space Station User’s Guide, Kapitel Servicemodul.
- Smithsonian National Air and Space Museum: Rocket Motor, Liquid Fuel, Apollo Service Module Reaction Control System.
- Metin Tolan: Die Star-Trek-Physik. Warum die Enterprise nur 158 Kilo wiegt. Piper, München.
