Am unteren Ende des Super-Heavy-Boosters stehen 33 Raptor-Triebwerke dicht nebeneinander. Wenn sie nahezu gleichzeitig zünden, verbrennen sie tiefgekühltes Methan und flüssigen Sauerstoff und erzeugen gemeinsam den Schub, der das vollständige Starship-System vom Boden hebt. Weitere Raptor-Triebwerke treiben anschließend das obere Raumfahrzeug durch den Weltraum.

Die Leistungsfähigkeit von Starship hängt damit unmittelbar von einem Triebwerk ab, das SpaceX eigens für dieses Raketensystem entwickelt hat. Raptor soll hohen Schub, eine effiziente Verbrennung und mehrfache Wiederverwendung miteinander verbinden. Gleichzeitig muss es sich in großer Stückzahl herstellen lassen. Denn eine Rakete, die insgesamt 39 Triebwerke benötigt, stellt andere Anforderungen an Produktion und Zuverlässigkeit als ein System mit nur wenigen Motoren.

Raptor ist deshalb mehr als der Antrieb des Starships. Das Triebwerk entscheidet mit darüber, ob aus der bislang größten Rakete von SpaceX tatsächlich ein häufig einsetzbares Transportsystem werden kann.

Warum entwickelte SpaceX ein neues Triebwerk?

Für die Falcon 9 und die Falcon Heavy verwendet SpaceX das Merlin-Triebwerk. Es verbrennt Raketentreibstoff auf Kerosinbasis und flüssigen Sauerstoff. Merlin hat sich bei Hunderten Starts bewährt und bildet bis heute die Grundlage des kommerziellen Startbetriebs von SpaceX.

Für Starship reichte eine vergrößerte Version des vorhandenen Antriebs jedoch nicht aus. Das neue Raketensystem sollte erheblich mehr Nutzlast transportieren, vollständig wiederverwendbar werden und langfristig auch für Flüge zum Mond und Mars geeignet sein. Dafür benötigte SpaceX ein Triebwerk mit hohem Brennkammerdruck, großer Effizienz und einem Treibstoff, der sich besser mit den geplanten Langzeitmissionen vereinbaren lässt.

Die Entwicklung von Raptor begann lange vor den ersten gemeinsamen Testflügen von Starship und Super Heavy. SpaceX erprobte Komponenten und kleinere Entwicklungsmodelle, bevor vollständige Triebwerke auf Prüfständen gezündet wurden. Auch Einrichtungen der NASA und des Air Force Research Laboratory wurden zeitweise für Arbeiten am Raptor-Programm genutzt. Dabei ging es unter anderem um Einspritzsysteme, Verbrennungsstabilität und das Zusammenspiel der Vorbrenner.

Seitdem wurde das Triebwerk mehrfach verändert. Neue Raptor-Generationen wurden leistungsfähiger und zugleich konstruktiv vereinfacht. Leitungen und Bauteile, die bei frühen Versionen noch deutlich sichtbar waren, wurden neu angeordnet oder in andere Strukturen integriert. Diese Weiterentwicklung ist nicht abgeschlossen. Die bei Prüfstandsläufen und Flugtests gewonnenen Daten fließen fortlaufend in spätere Ausführungen ein.

Warum verwendet Raptor Methan als Treibstoff?

Raptor verbrennt flüssiges Methan und flüssigen Sauerstoff. Beide Stoffe müssen stark heruntergekühlt werden, damit sie in flüssiger Form in den Tanks gespeichert werden können. Der Sauerstoff ermöglicht die Verbrennung, während das Methan die eigentliche chemische Energie liefert.

Methan liegt hinsichtlich seiner Eigenschaften zwischen Kerosin und Wasserstoff. Es ist weniger voluminös und leichter zu lagern als flüssiger Wasserstoff, besitzt aber eine geringere Dichte als Kerosin. Bei der Verbrennung entstehen hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf. Wie klimafreundlich der Treibstoff insgesamt ist, hängt allerdings davon ab, wie das Methan hergestellt wird und wie viel davon bei Produktion, Betankung und Betrieb unverbrannt entweicht.

Für ein wiederverwendbares Triebwerk bietet Methan einen weiteren möglichen Vorteil. Kerosin kann bei hohen Temperaturen kohlenstoffhaltige Ablagerungen erzeugen, die Leitungen, Kühlkanäle und andere Triebwerksteile belasten. Methan verbrennt sauberer und kann dadurch die Aufarbeitung zwischen zwei Einsätzen erleichtern. Das bedeutet nicht, dass ein Raptor-Triebwerk nach einem Flug grundsätzlich wartungsfrei wäre. Es verringert jedoch bestimmte Verschmutzungsprobleme, die bei kohlenstoffreicheren Brennstoffen stärker auftreten können.

SpaceX verbindet die Methanwahl außerdem mit langfristigen Marsplänen. Methan und Sauerstoff könnten theoretisch aus auf dem Mars vorhandenen Rohstoffen hergestellt werden. Kohlendioxid aus der Atmosphäre ließe sich gemeinsam mit Wasserstoff zur Methanproduktion nutzen, während Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden könnte. Eine industrielle Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars existiert bislang jedoch nicht. Sie ist ein langfristiges Konzept und keine bereits verfügbare Fähigkeit des Starship-Systems.

Wie funktioniert das Vollstrom-Hauptstromverfahren?

Das auffälligste technische Merkmal des Raptor-Triebwerks ist sein Verbrennungszyklus. Raptor arbeitet nach dem sogenannten Vollstrom-Hauptstromverfahren, auf Englisch Full-Flow Staged Combustion. Dieses Verfahren gehört zu den komplexesten Möglichkeiten, ein Flüssigkeitsraketentriebwerk zu betreiben.

In einem einfachen Raketentriebwerk werden Brennstoff und Sauerstoff unter Druck in eine Brennkammer geleitet, dort verbrannt und anschließend durch eine Düse ausgestoßen. Große Triebwerke benötigen jedoch leistungsfähige Pumpen, um die Treibstoffe mit dem erforderlichen Druck zu fördern. Diese Turbopumpen müssen wiederum von heißen Gasen angetrieben werden.

Beim Raptor gibt es dafür zwei getrennte Vorbrenner. In einem wird ein kleiner Teil des Methans mit viel Sauerstoff umgesetzt. Dadurch entsteht ein sauerstoffreiches Gas, das die Sauerstoffturbopumpe antreibt. Im anderen Vorbrenner wird ein kleiner Teil des Sauerstoffs mit viel Methan verbrannt. Das dabei entstehende methanreiche Gas treibt die Brennstoffturbopumpe an.

Anschließend strömen beide Gasgemische in die Hauptbrennkammer und verbrennen dort vollständig. Die Bezeichnung Vollstrom beschreibt, dass praktisch der gesamte Treibstoffstrom zunächst durch die Vorbrenner und Turbinen geführt wird, bevor er in der Hauptbrennkammer seine restliche Energie freisetzt.

Das Verfahren ermöglicht eine hohe Leistung und eine effiziente Nutzung der Treibstoffe. Weil große Gasmengen durch die Turbinen strömen, können diese bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen arbeiten als bei manchen anderen Hochleistungszyklen. Das kann die Belastung der Bauteile verringern und ist grundsätzlich günstig für die Wiederverwendbarkeit.

Die Vorteile werden jedoch mit erheblichem technischem Aufwand erkauft. Das Triebwerk muss gleichzeitig mit sauerstoffreichem und brennstoffreichem Heißgas umgehen. Besonders sauerstoffreiche Gase können Metalle bei hohen Temperaturen stark angreifen. Pumpen, Dichtungen, Leitungen und Brennkammer müssen präzise aufeinander abgestimmt sein. Schon kleine Abweichungen bei Druck, Temperatur oder Mischungsverhältnis können die Verbrennung instabil machen oder Bauteile überlasten.

Wie viel Schub erzeugt ein Raptor-Triebwerk?

SpaceX gibt für die derzeit dargestellte Raptor-Ausführung einen Schub von ungefähr 250 Tonnen beziehungsweise rund 2,45 Meganewton an. Der tatsächliche Wert kann sich abhängig von Triebwerksversion, Betriebszustand und Einsatzbereich unterscheiden. Da SpaceX das Raptor-Design fortlaufend verändert, sollten einzelne Leistungsangaben immer einer bestimmten Entwicklungsstufe zugeordnet werden.

Ein einzelnes Raptor-Triebwerk erzeugt damit ungefähr doppelt so viel Schub wie ein Merlin-Triebwerk der Falcon 9. Für Starship ist jedoch vor allem die Kombination vieler Motoren entscheidend. Die 33 Triebwerke des Super-Heavy-Boosters erreichen gemeinsam einen Startschub von mehr als 80 Meganewton.

Nicht alle Raptor-Triebwerke am Booster sind beweglich. Die inneren 13 Motoren können geschwenkt werden und dadurch die Flugrichtung beeinflussen. Die 20 äußeren Triebwerke sind fest eingebaut und liefern vor allem zusätzlichen Schub. Diese Aufteilung verringert den technischen Aufwand, weil nicht jedes Triebwerk mit einem eigenen Schwenkmechanismus ausgestattet werden muss.

Die große Zahl besitzt zugleich einen sicherheitsrelevanten Vorteil. Unter bestimmten Bedingungen kann die Rakete den Ausfall eines einzelnen Motors ausgleichen, indem die übrigen Triebwerke länger oder mit veränderter Leistung arbeiten. Diese sogenannte Engine-out-Fähigkeit ist allerdings nicht unbegrenzt. Wie viele Ausfälle verkraftet werden können, hängt davon ab, wann sie auftreten und ob benachbarte Systeme beschädigt werden.

Warum gibt es unterschiedliche Raptor-Versionen?

Super Heavy und das obere Starship arbeiten in unterschiedlichen Umgebungen. Der Booster startet am Boden, bewegt sich durch die Atmosphäre und kehrt später dorthin zurück. Seine Triebwerke müssen deshalb für den Betrieb bei vorhandenem Außendruck ausgelegt sein.

Starship besitzt drei Raptor-Triebwerke für den Betrieb in der Atmosphäre und drei Raptor-Vacuum-Triebwerke. Die Vakuumausführung ist an ihrer erheblich größeren Düse zu erkennen. Im Weltraum fehlt der äußere Luftdruck, der die Ausdehnung der heißen Abgase begrenzt. Eine größere Düse kann die Gase dort stärker entspannen und ihre Energie effizienter in Schub umwandeln.

Am Boden wäre eine solche Düse ungünstig. Der Luftdruck könnte den Abgasstrom von der Innenwand der Düse ablösen und starke ungleichmäßige Belastungen verursachen. Die atmosphärische Raptor-Version verwendet deshalb eine kleinere Düse. Sie ist außerdem schwenkbar und wird für die Steuerung sowie für Landemanöver benötigt.

Während des Aufstiegs arbeiten alle sechs Triebwerke des Starships gemeinsam. Für bestimmte Manöver können einzelne Motoren abgeschaltet oder erneut gezündet werden. Bei einer Rückkehr zur Erde benötigt das Raumfahrzeug vor allem die atmosphärischen Triebwerke. Sie drehen Starship kurz vor der Landung aus seinem waagerechten Fall in die senkrechte Position und bremsen es ab.

Für eine solche Landung muss Raptor nicht nur starken Schub liefern. Das Triebwerk muss seine Leistung regeln, nach längeren Flugphasen zuverlässig erneut zünden und trotz veränderter Treibstoffbewegungen in den Tanks stabil arbeiten. Gerade diese Fähigkeit unterscheidet ein wiederverwendbares Raumfahrzeug von einer gewöhnlichen Oberstufe, deren Triebwerk nach dem Aussetzen der Nutzlast nicht mehr gebraucht wird.

Wie wird ein Raptor-Triebwerk gekühlt?

In der Hauptbrennkammer entstehen Temperaturen, die oberhalb des Schmelzpunkts der verwendeten Metalle liegen. Dass die Brennkammer dennoch nicht schmilzt, liegt an einem aktiven Kühlsystem. Ein Teil des Methans strömt vor der Verbrennung durch feine Kanäle in den Wänden von Brennkammer und Düse.

Das kalte Methan nimmt dort Wärme auf und schützt das Metall vor einer zu hohen Temperatur. Anschließend gelangt es in den Verbrennungsprozess. Dieses Verfahren wird regenerative Kühlung genannt, weil der Treibstoff zunächst als Kühlmittel dient und danach weiterhin zur Schuberzeugung genutzt wird.

Die Kühlkanäle gehören zu den besonders beanspruchten Bereichen des Triebwerks. Sie müssen hohen Drücken standhalten, eine gleichmäßige Kühlung gewährleisten und dürfen weder verstopfen noch undicht werden. Wiederholte Starts führen außerdem zu wechselnden thermischen Belastungen: Das Material wird innerhalb kurzer Zeit stark erhitzt, kühlt später wieder ab und muss diesen Vorgang möglichst oft überstehen.

Für die Wiederverwendbarkeit genügt daher nicht, dass ein Triebwerk einen einzelnen langen Brennvorgang übersteht. Brennkammer, Turbopumpen, Ventile, Leitungen und Zündsysteme müssen nach mehreren Starts innerhalb festgelegter Sicherheitsgrenzen bleiben. Erst wiederholte Einsätze derselben Motoren können zeigen, wie viel Wartung zwischen den Flügen tatsächlich erforderlich ist.

Wie werden Raptor-Triebwerke gezündet und gesteuert?

Der Start eines Flüssigkeitsraketentriebwerks ist ein genau abgestimmter Ablauf. Ventile öffnen sich in einer festgelegten Reihenfolge, Turbopumpen laufen an, Drücke bauen sich auf und die Treibstoffströme müssen das richtige Verhältnis erreichen. Erfolgt die Zündung zu früh, zu spät oder ungleichmäßig, können sich unverbrannte Gase ansammeln und schlagartig entzünden.

Beim Super-Heavy-Booster müssen diese Vorgänge bei 33 Triebwerken nahezu gleichzeitig kontrolliert werden. Die Rakete darf erst freigegeben werden, wenn die Startsteuerung ausreichenden Schub und ordnungsgemäße Betriebswerte erkennt. Sensoren überwachen unter anderem Drücke, Temperaturen, Drehzahlen und die Verbrennung.

Während des Fluges kann das Steuerungssystem die Leistung einzelner Triebwerke verändern. Die schwenkbaren Motoren richten ihren Schubvektor neu aus und steuern dadurch die Rakete. Vor der Trennung von Super Heavy zünden die Starship-Triebwerke bereits, während ein Teil der Booster-Motoren noch arbeitet. Auch für dieses heiße Trennverfahren müssen die Raptor-Triebwerke präzise gesteuert werden.

Bei der Rückkehr werden ausgewählte Booster-Triebwerke erneut gezündet, um Super Heavy abzubremsen und zum Startturm zu führen. Nicht alle 33 Motoren werden dafür benötigt. Die Landung beziehungsweise das Auffangen erfolgt mit einer kleineren Zahl zentraler Triebwerke, deren Schub sich besser auf die sinkende Masse des Boosters abstimmen lässt.

Warum ist die Produktion so wichtig?

Eine Falcon 9 benötigt neun Merlin-Triebwerke in der ersten Stufe und ein weiteres in der Oberstufe. Das vollständige Starship-System verwendet dagegen 39 Raptor-Triebwerke. Selbst wenn Booster und Raumfahrzeug mehrfach eingesetzt werden, muss SpaceX daher zunächst eine große Zahl von Motoren herstellen.

Das Triebwerk muss deshalb nicht nur leistungsfähig, sondern auch für eine industrielle Serienproduktion geeignet sein. Eine komplizierte Konstruktion mit vielen schwer herstellbaren Teilen würde den Aufbau der Flotte verlangsamen und die Kosten erhöhen. SpaceX versucht daher, die Zahl einzelner Komponenten und äußerer Leitungen zu verringern und die Fertigung zu vereinfachen.

Diese Vereinfachung ist nicht mit technischer Schlichtheit zu verwechseln. Im Inneren bleibt Raptor ein hochkomplexes Triebwerk mit zwei Vorbrennern, leistungsfähigen Turbopumpen und extremen Betriebsbedingungen. Ziel der Entwicklung ist vielmehr, diese Komplexität so zu beherrschen, dass viele möglichst einheitliche Motoren gebaut, getestet und eingebaut werden können.

Für einen künftigen schnellen Flugbetrieb müsste SpaceX außerdem feststellen können, ob ein zurückgekehrtes Triebwerk erneut einsatzbereit ist. Lange Zerlegungen und umfangreiche Überholungen nach jedem Flug würden den angestrebten Zeit- und Kostenvorteil der Wiederverwendbarkeit verkleinern. Benötigt werden daher zuverlässige Sensoren, Prüfverfahren und klare Grenzwerte für den weiteren Einsatz.

Welche Probleme muss Raptor noch bewältigen?

Die bisherigen Starship-Flüge haben gezeigt, dass große Gruppen von Raptor-Triebwerken gemeinsam arbeiten können. Sie haben aber auch Ausfälle, vorzeitige Abschaltungen und Probleme während verschiedener Flugphasen sichtbar gemacht. Nicht jeder beobachtete Verlust eines Triebwerks hatte zwangsläufig seine Ursache im Motor selbst. Beschädigte Leitungen, Treibstoffversorgung, Brände oder Probleme in benachbarten Systemen können ebenfalls dazu führen, dass ein Triebwerk ausfällt oder abgeschaltet wird.

Besonders anspruchsvoll ist der Rückflug von Super Heavy. Der Booster muss seine Motoren nach der Trennung erneut starten, seine Geschwindigkeit reduzieren und sich mit großer Genauigkeit dem Startturm nähern. Beim Starship kommen der Wiedereintritt, die Bewegung des Treibstoffs in nahezu leeren Tanks und das schnelle Aufrichten kurz vor der Landung hinzu.

Auch Mondmissionen stellen besondere Anforderungen. Die Raptor-Triebwerke müssen nach längeren Aufenthalten im Weltraum wieder zuverlässig arbeiten. Für das Auftanken im Erdorbit müssen Methan und Sauerstoff zwischen verschiedenen Raumfahrzeugen übertragen und über längere Zeit kalt gehalten werden. Erst wenn diese Verfahren gemeinsam beherrscht werden, kann das Triebwerk seine Rolle bei weiter entfernten Missionen vollständig erfüllen.

Warum Raptor über den Erfolg von Starship entscheidet

Starship wird häufig über seine Höhe, seinen Edelstahlrumpf oder das spektakuläre Auffangen des Boosters beschrieben. Doch all diese Elemente hängen von den Raptor-Triebwerken ab. Sie müssen die Rakete vom Boden heben, die Stufentrennung ermöglichen, das Raumfahrzeug im All beschleunigen und beide Hauptstufen kontrolliert zur Erde zurückbringen.

Raptor verbindet einen leistungsfähigen Verbrennungszyklus mit einem Treibstoff, der für Wiederverwendung und langfristige Weltraummissionen geeignet sein soll. Das technische Konzept ist nachvollziehbar, seine vollständige wirtschaftliche Wirkung aber noch nicht bewiesen. Entscheidend wird sein, wie oft dieselben Triebwerke eingesetzt werden können, wie viel Wartung sie benötigen und ob SpaceX sie in der erforderlichen Stückzahl mit gleichbleibender Qualität herstellen kann.

Damit liegt die wichtigste Prüfung nicht in einer einzelnen eindrucksvollen Zündung. Sie beginnt nach dem Flug, wenn ein gebrauchtes Raptor-Triebwerk untersucht wird und sich zeigen muss, ob es tatsächlich bereit ist, erneut 124 Meter Rakete in Bewegung zu setzen.

Die SpaceX Story

• Wie SpaceX entstand – Die Geschichte von Elon Musks Raumfahrtunternehmen
• Falcon 1 – Wie SpaceX mit seiner ersten Rakete den Durchbruch schaffte
• Falcon 9 – Wie die wiederverwendbare Rakete von SpaceX funktioniert
• Dragon – Wie SpaceX Astronauten und Fracht zur ISS bringt
• Falcon Heavy – Was die Schwerlastrakete von SpaceX leisten kann
• Starlink – Wie das Satellitennetz von SpaceX funktioniert
• Starship und Super Heavy – Wie die größte Rakete von SpaceX funktioniert
• Starship als Mondlander – Wie SpaceX Astronauten auf den Mond bringen soll
• SpaceX und der Mars – Wie Elon Musk eine Stadt auf dem Roten Planeten bauen will

Quellen
▪︎ SpaceX – Starship und Raptor-Triebwerke
▪︎ NASA Marshall Space Flight Center – Starship-Flugtests und Raptor-Betrieb
▪︎ NASA Technical Reports Server – Full-Flow Staged Combustion und Integrated Powerhead Demonstrator
▪︎ NASA Stennis Space Center – Raptor-Testprojekt
▪︎ Air Force Research Laboratory – Zusammenarbeit bei der Raptor-Entwicklung
▪︎ Federal Aviation Administration – Starship-Super-Heavy-Flugtests und Untersuchungen