SpaceX and NASA could take a tentative step toward orbital refueling on the next test flight of Starship, but the US space agency says officials haven't made a final decision on when to begin demonstrating cryogenic propellant transfer capabilities that are necessary to return astronauts to the Moon.

SpaceX scheint auf dem richtigen Weg zu sein, nächstes Jahr zumindest einen vorläufigen Treibstoffübertragungstest durchzuführen. SpaceX und die NASA könnten beim nächsten Testflug von Starship einen vorsichtigen Schritt in Richtung orbitaler Betankung unternehmen, aber die US-Raumfahrtbehörde sagt, dass Beamte noch keine endgültige Entscheidung über den Zeitpunkt getroffen haben mit der Demonstration der Fähigkeiten zum kryogenen Treibstofftransfer zu beginnen, die notwendig sind, um Astronauten zum Mond zurückzubringen.

NASA is keen on demonstrating orbital refueling technology, an advancement that could lead to propellant depots in space to feed rockets heading to distant destinations beyond Earth orbit. In 2020, NASA announced agreements with four companies—Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX, and a Florida-based startup named Eta Space—to prove capabilities in the area of refueling and propellant depots using cryogenic propellants.

Die NASA ist daran interessiert, die orbitale Betankungstechnologie zu demonstrieren, ein Fortschritt, der zu Treibstoffdepots im Weltraum führen könnte, um Raketen zu versorgen, die zu entfernten Zielen außerhalb der Erdumlaufbahn fliegen. Im Jahr 2020 kündigte die NASA Vereinbarungen mit vier Unternehmen an – Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX und einem in Florida ansässigen Startup namens Eta Space –, um Fähigkeiten im Bereich der Betankung und Treibstoffdepots mit kryogenen Treibstoffen nachzuweisen.

These cryogenic fluids—liquid hydrogen, methane, and liquid oxygen—must be kept at temperatures of several hundred degrees below zero, or they turn into a gas and boil off. Russian supply freighters regularly refuel the International Space Station with hydrazine and nitrogen tetroxide, room-temperature rocket propellants that can be stored for years in orbit, but rockets using more efficient super-cold propellants have typically needed to complete their missions within hours.

Diese kryogenen Flüssigkeiten – flüssiger Wasserstoff, Methan und flüssiger Sauerstoff – müssen bei Temperaturen von mehreren hundert Grad unter Null gehalten werden, sonst werden sie gasförmig und verdampfen. Russische Versorgungsfrachter betanken die Internationale Raumstation regelmäßig mit Hydrazin und Stickstofftetroxid, Raketentreibstoffen bei Raumtemperatur, die jahrelang im Orbit gelagert werden können. Raketen mit effizienteren superkalten Treibstoffen mussten ihre Missionen jedoch normalerweise innerhalb von Stunden abschließen.

NASA and industry engineers want to extend this lifetime to days, weeks, or months, but this requires new technologies to maintain the propellants at cryogenic temperature and, in some cases like Starship, to transfer the propellants from one vehicle to another.

Ingenieure der NASA und der Industrie möchten diese Lebensdauer auf Tage, Wochen oder Monate verlängern. Dafür sind jedoch neue Technologien erforderlich, um die Treibstoffe auf kryogener Temperatur zu halten und in einigen Fällen wie bei Starship die Treibstoffe von einem Fahrzeug auf ein anderes zu übertragen.

NASA and several companies are funding efforts in this area, called cryogenic fluid management. NASA's agreements from 2020 committed more than $250 million in government funding for cryogenic fluid management tests in space. These funding agreements announced in October 2020, called "Tipping Point" awards, require substantial private funding from the companies participating in the demonstrations.

Die NASA und mehrere Unternehmen finanzieren Bemühungen in diesem Bereich, dem sogenannten kryogenen Flüssigkeitsmanagement. Durch die Vereinbarungen der NASA aus dem Jahr 2020 wurden staatliche Mittel in Höhe von mehr als 250 Millionen US-Dollar für Tests zum kryogenen Flüssigkeitsmanagement im Weltraum bereitgestellt. Diese im Oktober 2020 angekündigten Finanzierungsvereinbarungen mit der Bezeichnung „Tipping Point“-Auszeichnungen erfordern erhebliche private Mittel von den an den Demonstrationen teilnehmenden Unternehmen.

According to John Dankanich, who leads NASA's efforts in developing new capabilities for in-space transportation, there are "major technical obstacles" for cryogenic fluid management. The real challenge, he said, will be in validating things like automated couplers, flow meters, and advanced insulation all work together in microgravity. These, along with other technologies, are "highly interdependent" on one another to make cryogenic refueling a reality, he said.

Laut John Dankanich, der die Bemühungen der NASA zur Entwicklung neuer Fähigkeiten für den Weltraumtransport leitet, gibt es „große technische Hindernisse“ für das Management kryogener Flüssigkeiten. Die eigentliche Herausforderung werde darin bestehen, zu validieren, dass Dinge wie automatisierte Kupplungen, Durchflussmesser und fortschrittliche Isolierung in der Schwerelosigkeit zusammenarbeiten. Diese seien zusammen mit anderen Technologien „in hohem Maße voneinander abhängig“, um die kryogene Betankung Wirklichkeit werden zu lassen, sagte er.

Individual technologies necessary for in-orbit cryogenic refueling are at a stage of development where they are "ready now to go into flight systems," Dankanich said, either with a demonstration in space or on an operational spacecraft.

Einzelne Technologien, die für die kryogene Betankung im Orbit erforderlich sind, befinden sich in einem Entwicklungsstadium, in dem sie „jetzt bereit sind, in Flugsysteme eingesetzt zu werden“, sagte Dankanich, entweder mit einer Demonstration im Weltraum oder auf einem einsatzbereiten Raumschiff.

First, small steps

By the fourth anniversary of those awards, only SpaceX appears to have a chance to complete the tasks outlined in its "Tipping Point" award, valued at $53 million.

This test would involve transferring super-cold propellant from one tank to another inside a Starship spacecraft. It's a precursor to future, more complex demonstrations involving two giant Starships docked together in Earth orbit. Then SpaceX will be ready to send a Starship toward the Moon for a test landing without astronauts onboard. Once that is successful, NASA will clear Starship for a crew landing on the agency's Artemis III mission, marking the astronauts' return to the lunar surface for the first time since 1972.

Erstens, kleine Schritte Bis zum vierten Jahrestag dieser Auszeichnungen scheint nur SpaceX eine Chance zu haben, die in seinem „Tipping Point“-Preis im Wert von 53 Millionen US-Dollar beschriebenen Aufgaben zu erfüllen. Bei diesem Test würde es darum gehen, superkalten Treibstoff von einem Tank in einen anderen zu übertragen im Inneren eines Starship-Raumschiffs. Es ist ein Vorläufer zukünftiger, komplexerer Demonstrationen mit zwei riesigen Raumschiffen, die im Erdorbit aneinander angedockt sind. Dann wird SpaceX bereit sein, ein Raumschiff für eine Testlandung ohne Astronauten an Bord zum Mond zu schicken. Sobald dies erfolgreich ist, wird die NASA Starship für die Landung einer Besatzung auf der Artemis-III-Mission der Agentur freigeben und damit die Rückkehr der Astronauten zur Mondoberfläche zum ersten Mal seit 1972 markieren.

That's easier said than done; all worthy projects require a first step. That could happen as soon as the next full-scale test flight of SpaceX's gigantic Super Heavy booster and Starship rocket, a stainless steel launcher that stands nearly 400 feet (121 meters) tall. SpaceX has flown the rocket twice, most recently on November 18, when the Starship upper stage reached space for the first time before self-destructing just short of orbital velocity. This test flight was largely successful, achieving several key milestones such as stage separation and demonstrating improved reliability of the rocket's methane-fueled Raptor engines.

Das ist einfacher gesagt als getan; Alle würdigen Projekte erfordern einen ersten Schritt. Das könnte passieren, sobald der nächste vollständige Testflug der gigantischen Super Heavy-Trägerrakete und der Starship-Rakete von SpaceX stattfindet, einer Trägerrakete aus rostfreiem Stahl, die fast 121 Meter hoch ist. SpaceX hat die Rakete zweimal geflogen, zuletzt am 18. November, als die Oberstufe des Raumschiffs zum ersten Mal den Weltraum erreichte, bevor sie sich kurz vor der Umlaufgeschwindigkeit selbst zerstörte. Dieser Testflug war weitgehend erfolgreich und erreichte mehrere wichtige Meilensteine ​​wie die Stufentrennung und den Nachweis einer verbesserten Zuverlässigkeit der methanbetriebenen Raptor-Triebwerke der Rakete.

SpaceX has a $2.9 billion contract with NASA to provide a commercial Human Landing System (HLS) derived from Starship for the Artemis III mission, the first human landing mission planned during NASA's Artemis program. The readiness of the Starship landing craft and new commercial spacesuits are widely seen as drivers of the schedule for Artemis III, which is at risk of a delay from late 2025.

SpaceX hat einen 2,9-Milliarden-Dollar-Vertrag mit der NASA über die Bereitstellung eines kommerziellen Human Landing System (HLS), das von Starship abgeleitet ist, für die Artemis-III-Mission, die erste im Rahmen des Artemis-Programms der NASA geplante bemannte Landemission. Die Einsatzbereitschaft des Landungsschiffs Starship und neuer kommerzieller Raumanzüge wird allgemein als treibende Kraft für den Zeitplan für Artemis III angesehen, bei dem eine Verzögerung ab Ende 2025 droht.

Lakiesha Hawkins, deputy associate administrator for NASA's Moon to Mars program office, discussed the Artemis schedule Monday with a committee from the National Academies charged with reviewing the agency's workforce, infrastructure, and technology programs.

Lakiesha Hawkins, stellvertretende stellvertretende Administratorin des Mond-Mars-Programmbüros der NASA, besprach den Artemis-Zeitplan am Montag mit einem Ausschuss der National Academies, der mit der Überprüfung der Personal-, Infrastruktur- und Technologieprogramme der Agentur beauftragt ist.

Hawkins did not verbally address SpaceX's plans for the next Starship test flight, but one of her slides noted SpaceX is "moving quickly" toward the third Super Heavy/Starship launch, and that this flight "will include a propellant transfer demonstration."

Hawkins ging nicht mündlich auf die Pläne von SpaceX für den nächsten Starship-Testflug ein, aber auf einer ihrer Folien stellte sie fest, dass SpaceX „schnell“ auf den dritten Super Heavy/Starship-Start zusteuert und dass dieser Flug „eine Demonstration des Treibstofftransfers beinhalten wird“.

However, Jimi Russell, a NASA spokesperson, suggested to Ars this is still only a possibility. When it does happen, the tank-to-tank propellant transfer within Starship will demonstrate moving 10 metric tons of liquid oxygen, according to the 2020 Tipping Point award terms. SpaceX is collaborating with NASA's Glenn Research Center and Marshall Space Flight Center on the demonstration.

Jimi Russell, ein NASA-Sprecher, schlug gegenüber Ars jedoch vor, dass dies immer noch nur eine Möglichkeit sei. Wenn dies geschieht, wird der Tank-zu-Tank-Treibstofftransfer innerhalb von Starship die Bewegung von 10 Tonnen flüssigem Sauerstoff gemäß den Bedingungen der Tipping Point-Auszeichnung 2020 demonstrieren. SpaceX arbeitet bei der Demonstration mit dem Glenn Research Center der NASA und dem Marshall Space Flight Center zusammen.

"NASA and SpaceX are reviewing options for the demonstration to take place during an integrated flight test of Starship and the Super Heavy rocket," Russell said in a  statement. "However, no final decisions on timing have been made."

„Die NASA und SpaceX prüfen Optionen für die Demonstration während eines integrierten Flugtests von Starship und der Super Heavy-Rakete“, sagte Russell in einer Erklärung. „Es liegen jedoch noch keine endgültigen Entscheidungen zum Zeitpunkt vor.“

Elon Musk, the company's founder and CEO, said on November 19 that hardware for the next Super Heavy/Starship test should be ready in three to four weeks. That projection seems dubious because SpaceX hasn't moved any pieces of the rocket to the launch pad for pre-flight testing, but a test flight early next year appears realistic.

Elon Musk, der Gründer und CEO des Unternehmens, sagte am 19. November, dass die Hardware für den nächsten Super Heavy/Starship-Test in drei bis vier Wochen fertig sein sollte. Diese Prognose erscheint zweifelhaft, da SpaceX keine Teile der Rakete für Tests vor dem Flug zur Startrampe gebracht hat, ein Testflug Anfang nächsten Jahres erscheint jedoch realistisch.

Other factors that could play into the Starship launch schedule include tune-ups or fixes to resolve problems that occurred on the November 18 test flight and receiving a new launch license from the Federal Aviation Administration.

Weitere Faktoren, die in den Startplan von Starship einfließen könnten, sind Optimierungen oder Korrekturen zur Behebung von Problemen, die beim Testflug am 18. November aufgetreten sind, und der Erhalt einer neuen Startlizenz von der Federal Aviation Administration.

When SpaceX tries transferring 10 metric tons of propellant from tank to tank inside Starship, it will be at a scale never before attempted in space. But it's a small fraction of the amount of fuel and oxidizer needed to fill a Starship spacecraft in orbit. The ship's total propellant capacity is some 1,200 metric tons. After the tank-to-tank demonstration, SpaceX will attempt a ship-to-ship propellant transfer between two Starships linked together in Earth orbit.

Wenn SpaceX versucht, 10 Tonnen Treibstoff von Tank zu Tank im Starship zu transportieren, wird dies in einem Ausmaß geschehen, wie es im Weltraum noch nie zuvor versucht wurde. Aber es ist nur ein kleiner Bruchteil der Menge an Treibstoff und Oxidationsmittel, die benötigt wird, um ein Starship-Raumschiff im Orbit zu füllen. Die Gesamttreibstoffkapazität des Schiffes beträgt rund 1.200 Tonnen. Nach der Tank-zu-Tank-Demonstration wird SpaceX einen Schiff-zu-Schiff-Treibstofftransfer zwischen zwei miteinander verbundenen Raumschiffen im Erdorbit versuchen.

"That’s really when we start maturing the systems, and when it really gets exciting for HLS, because those are the building blocks that we need and, frankly, it’s never been done successfully in orbit," said Lisa Watson-Morgan, NASA's HLS program manager, in an interview with Ars last month.

„Das ist wirklich der Zeitpunkt, an dem wir anfangen, die Systeme zu reifen, und wenn es für HLS richtig spannend wird, denn das sind die Bausteine, die wir brauchen, und ehrlich gesagt wurde das im Orbit noch nie erfolgreich umgesetzt“, sagte Lisa Watson-Morgan, Leiterin des HLS-Programms der NASA Manager, in einem Interview mit Ars letzten Monat.

This discussion of propellant transfer leaves out critical work on Starship's life support system needed to accommodate crews on the lunar surface. SpaceX also needs to move forward with more Raptor engine testing, but the company recently completed a ground test to confirm it can reignite a Raptor engine in the extreme cold conditions resulting from extended time in space. SpaceX has also completed Raptor test-firings at different throttle settings to simulate how the engines must perform during a descent burn to reach the lunar surface.

Diese Diskussion über den Treibstofftransfer lässt wichtige Arbeiten am Lebenserhaltungssystem von Starship außer Acht, das für die Unterbringung der Besatzungen auf der Mondoberfläche erforderlich ist. SpaceX muss auch weitere Raptor-Triebwerkstests durchführen, aber das Unternehmen hat kürzlich einen Bodentest abgeschlossen, um zu bestätigen, dass es ein Raptor-Triebwerk unter den extrem kalten Bedingungen, die durch längere Aufenthalte im Weltraum entstehen, wieder zünden kann. SpaceX hat auch Raptor-Testschüsse mit verschiedenen Drosselklappeneinstellungen durchgeführt, um zu simulieren, wie sich die Triebwerke während eines Sinkflugs verhalten müssen, um die Mondoberfläche zu erreichen.

Others in the running

Andere im Rennen

The other companies working with NASA on cryogenic fluid management are still at least a couple of years away from any meaningful flight demonstrations.

Die anderen Unternehmen, die mit der NASA beim Management kryogener Flüssigkeiten zusammenarbeiten, sind noch mindestens ein paar Jahre von sinnvollen Flugdemonstrationen entfernt.

Lockheed Martin's demo, expected to use liquid hydrogen, is scheduled for 2025 and will test 15 key cryo fluid management technologies. Eta Space is developing a small-scale fuel depot to demonstrate long-duration cryogenic storage of liquid oxygen for nine months. This mission, known as LOXSAT, is scheduled to launch with Rocket Lab in 2025, according to Dankanich.

Die Demo von Lockheed Martin, bei der flüssiger Wasserstoff zum Einsatz kommen soll, ist für 2025 geplant und soll 15 Schlüsseltechnologien für das Kryo-Flüssigkeitsmanagement testen. Eta Space entwickelt ein kleines Treibstoffdepot, um die kryogene Langzeitspeicherung von flüssigem Sauerstoff für neun Monate zu demonstrieren. Diese als LOXSAT bekannte Mission soll laut Dankanich im Jahr 2025 mit Rocket Lab starten.

Liquid hydrogen is the smallest molecule and needs to be stored at colder temperatures than methane or liquid oxygen. It is the most efficient rocket fuel in common use, but is prone to leaks.

Flüssiger Wasserstoff ist das kleinste Molekül und muss bei kälteren Temperaturen gespeichert werden als Methan oder flüssiger Sauerstoff. Es handelt sich um den effizientesten Raketentreibstoff, der allgemein verwendet wird, der jedoch anfällig für Lecks ist.

United Launch Alliance is working on a liquid hydrogen/liquid oxygen "smart propulsion cryogenic system" on a Vulcan Centaur upper stage, testing precise tank pressure control, tank-to-tank transfer, and multi-week propellant storage, according to NASA. Dankanich said Monday ULA's flight demonstration is scheduled for 2026.

Laut NASA arbeitet die United Launch Alliance an einem „intelligenten kryogenen Antriebssystem“ für flüssigen Wasserstoff/flüssigen Sauerstoff auf der Oberstufe des Vulcan Centaur und testet dabei eine präzise Tankdruckkontrolle, einen Tank-zu-Tank-Transfer und eine mehrwöchige Treibstoffspeicherung. Dankanich sagte am Montag, die Flugdemonstration der ULA sei für 2026 geplant.

Like Starship, Blue Origin's human-rated lunar lander for Artemis will rely on orbital refueling but with liquid hydrogen. Blue Origin's approach to cryogenic fluid management involves actively controlling the temperature of liquid hydrogen using cryocoolers, while SpaceX is using passive thermal control on Starship.

Wie Starship wird auch der bemannte Mondlander von Blue Origin für Artemis auf orbitale Betankung angewiesen sein, jedoch mit flüssigem Wasserstoff. Der Ansatz von Blue Origin zum kryogenen Flüssigkeitsmanagement umfasst die aktive Steuerung der Temperatur von flüssigem Wasserstoff mithilfe von Kryokühlern, während SpaceX auf Starship eine passive Wärmesteuerung verwendet.

Dankanich said Blue Origin plans "multiple interim demonstrations" with its cryogenic systems before its lander is certified to carry astronauts to the Moon's surface, but he didn't offer a schedule for those flight tests leading up to Blue Origin's first human landing mission, slated for no sooner than 2029.

Dankanich sagte, dass Blue Origin „mehrere Zwischendemonstrationen“ mit seinen kryogenen Systemen plant, bevor sein Lander für den Transport von Astronauten zur Mondoberfläche zertifiziert wird. Einen Zeitplan für die Flugtests im Vorfeld der geplanten ersten bemannten Landemission von Blue Origin nannte er jedoch nicht frühestens 2029.

Aside from technical hurdles, Dankanich said there's another potential barrier to widespread advancements in cryogenic refueling and propellant depots. For most of the tech demos, NASA is partnering with companies on a cost-sharing basis, reducing the cost to taxpayers. NASA would like to use data from the demonstrations to provide "ground truth" for models to predict the behavior of cryogenic fluids in space. Because NASA is a government agency, these models would be available to a broad cross-section of researchers and engineers.

Abgesehen von den technischen Hürden gibt es laut Dankanich noch ein weiteres potenzielles Hindernis für weitreichende Fortschritte bei der kryogenen Betankung und den Treibstoffdepots. Bei den meisten Tech-Demos arbeitet die NASA auf Kostenteilungsbasis mit Unternehmen zusammen, wodurch die Kosten für den Steuerzahler gesenkt werden. Die NASA möchte Daten aus den Demonstrationen nutzen, um „Ground Truth“ für Modelle bereitzustellen, mit denen sich das Verhalten kryogener Flüssigkeiten im Weltraum vorhersagen lässt. Da es sich bei der NASA um eine Regierungsbehörde handelt, stünden diese Modelle einem breiten Spektrum von Forschern und Ingenieuren zur Verfügung.

Under the terms of these public-private partnerships, industry retains ownership, and these companies may consider details about their technology proprietary, limiting NASA's ability to share lessons learned with academic institutions or other outside groups.

Gemäß den Bedingungen dieser öffentlich-privaten Partnerschaften bleibt die Industrie Eigentümerin, und diese Unternehmen betrachten möglicherweise Details zu ihrer Technologie als Eigentum, was die Fähigkeit der NASA einschränkt, gewonnene Erkenntnisse mit akademischen Institutionen oder anderen externen Gruppen zu teilen.

“In some cases, we can't force them to even instrument the systems in the way that we need them instrumented in order to get the data that we would need to validate," Dankanich said. "If they're willing to provide the telemetry that we need, then we may, on the NASA side, be able to get some of that information. But we can't disclose the design details or the specifics to the community, which is necessary for model validation.

„In manchen Fällen können wir sie nicht einmal dazu zwingen, die Systeme so zu instrumentieren, wie wir sie brauchen, um die Daten zu erhalten, die wir validieren müssten“, sagte Dankanich. „Wenn sie bereit sind, diese bereitzustellen Wenn wir die Telemetrie benötigen, die wir benötigen, können wir auf Seiten der NASA möglicherweise einige dieser Informationen erhalten. Wir können der Community jedoch keine Designdetails oder Besonderheiten offenlegen, die für die Modellvalidierung erforderlich sind.

"Data right restrictions are a big challenge with the way that we're procuring all of our cryogenic fluid management systems," Dankanich said. "At the same time, the outlook is pretty good, right? We do have the SpaceX large-scale cryo settling propellant transfer planned for next year."

„Beschränkungen der Datenrechte stellen eine große Herausforderung bei der Art und Weise dar, wie wir alle unsere Managementsysteme für kryogene Flüssigkeiten beschaffen“, sagte Dankanich. „Gleichzeitig sind die Aussichten ziemlich gut, oder? Wir haben für nächstes Jahr den groß angelegten Transfer von Kryo-Treibstoff durch SpaceX geplant.“