Vom Patentrechtswahnwitz einmal abgesehen.
Was bringt das Ding?
Wenn wir einmal von den Fragen absehen, wie der Turm gebaut wird, wieviel er kostet und wie sicher die Konstruktion ist, ist so ein Turm tatsächlich nicht gänzlich unnütz. Abgesehen von der Möglichkeit, dass sich Menschen dort aufhalten und die Erde betrachten und Antennen installiert werden können, kann man natürlich auch Raketen starten. Vorausgesetzt, dass der Turm ein entsprechendes Gewicht aushält.
Prinizpiell ist das kein Problem. Gebäude wie die Burj Khalifa tragen tausende Tonnen Gewicht und vor allem sich selbst. Der größte Teil der Masse eines solchen Gebäudes besteht aus Teilen die für die Struktur nicht notwendig sind. Anstatt dafür zu dienen eine noch höhere Konstruktion zu ermöglichen, dienen sie überflüssigen Dingen wie Wohnungen und Büros. Ok, das ist der Zweck der Konstruktion. Wenn die möglichst große Höhe der Zweck ist, dann kann man die Konstruktion ganz anders angehen. Wenn man nur Strukturelemente verbaut und auf die Belastungen durch die Wohnungen und Büros dazwischen verzichtet, dann zeigt ein fast 1km großes Gebäude wie der Burj Khalifa nur, dass ein vielfaches dessen möglich ist.
Für eine Rakete wäre schon eine Höhe von etwas mehr als 5km recht nützlich. Der Luftdruck ist dort nur noch halb so groß. Das hilft allein schon gegen einen großen Teil des Luftwiderstandes. Aber es kommt noch besser. Anstatt Düsen mit einem Expansionsverhältnis von 1:16 zu verwenden, könnte man ein Verhältnis von 1:32 benutzen. Aus dem gleichen Triebwerk kann man damit sowohl am “Boden” (also auf der Turmspitze) als auch weiter oben im Vakuum mehr Leistung heraus holen. Vor allem die Vakuumleistung ist wichtig. Dort wird nicht nur der meiste Treibstoff verbrannt, dort ist die Rakete auch am leichtesten.
Das Haupttriebwerk des Space Shuttles wurde zum Beispiel mit einem Verhältnis von 1:69 auf den Betrieb im Vakuum optimiert. Entsprechend hat es am Boden einen spezifischen Impuls von 363s und im Vakuum 453s. Beim halben Luftdruck käme es schon beim Start auf 408s. (Das heißt auch 10% mehr Schub, allein weil der Luftdruck niedriger ist!) Auf 20km Höhe könnte man problemlos Triebwerke nutzen, die normalerweise für Vakuumbetrieb optimiert sind. Bei etwa 9% des normalen Luftdrucks käme das Triebwerk des SpaceShuttle schon beim Start auf 445s. Der Unterschied zum Vakuum ist dann fast vernachlässigbar. Zusätzlich verschwinden auch noch 91% des Luftwiderstands, den man normalerweise durch zusätzlichen Schub überwinden muss.
Man dürfte wohl aus 20km Höhe über 1km/s delta V durch den fehlenden Luftwiderstand beim Start einsparen können, zusätzlich zu dem Vorteil des höheren spezifischen Impuls. Wieviel das dann insgesamt bedeutet hängt ganz von der Art der Rakete ab.
Exemplarisch einmal die Falcon 9 als Beispiel, weil ich deren Technische Daten ganz gut kenne: Die erste Stufe hätte nun einen spezifischen Impuls von 340s statt 300s. Der Treibstoff der ersten Stufe macht 4/5 des Gesamtgewichts (inklusive 2. Stufe) aus. Die Stufe erreicht damit eine um 650m/s höhere Endgeschwindigkeit, zusätzlich zu den geringeren Verlusten. Die zweite Stufe muss dann etwa 1,6km/s weniger Geschwindigkeit bringen.
Die zweite Stufe besteht zur Zeit bei GTO Missionen zu 90% aus Treibstoff, bei einem spezifischen Impuls von 340s, was einen delta-V von 7,7km/s bringt. Wenn sie jetzt nur noch 6,1km/s bringen müsste, dann bräuchte sie nur noch zu 83,5% aus Treibstoff bestehen. Im Normalfall wiegt die ausgebrannte Stufe mit kleiner Treibstoffreserve am Ende der Mission noch 5t und hat eine Nutzlast von 5t. Jetzt könnte sie eine Nutzlast von über 12t in den gleichen Orbit bringen.
Die genauen Zahlen hängen nun von Einzelheiten ab, aber eine Verdoppelung der Nutzlast ist eine ganz gute Abschätzung. Das entspräche auch ungefähr einer Halbierung der Kosten für die Rakete. Fragt sich nur noch, wie teuer dann der Start wird. Denn die Startgebühren müssen den Bau des Turms refinanzieren.
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