Das RD-180 ist nicht nur wegen der geopolitischen Besonderheiten seines Aufstiegs bemerkenswert, sondern auch, weil es in vielerlei Hinsicht einfach besser war als jedes andere Raketentriebwerk seiner Zeit. Als Elon Musk im Februar 2019 einen erfolgreichen Test des Raptor-Triebwerks von SpaceX ankündigte, das die nächste Raketengeneration des Unternehmens, das Starship, antreiben soll, prahlte er mit den hohen Drücken, die in der Schubkammer des Raptor erreicht wurden: mehr als das 265-fache des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe. Die Raptor, so schrieb er auf Twitter, habe den Rekord übertroffen, den die „großartige russische RD-180“ jahrzehntelang gehalten habe.

Nach der Annexion der Krim durch Russland im Jahr 2014 waren die Tage der RD-180 als Grundnahrungsmittel der amerikanischen Raketentechnik gezählt. Verteidigungspolitiker waren schon lange nicht mehr einverstanden mit dieser Vereinbarung, aber das Triebwerk war sowohl sehr gut als auch, angesichts seiner Leistungsfähigkeit, billig – und so blieb es. Doch als sich die Beziehungen zu Russland verschlechterten, gelang es den Gegnern des Triebwerks im Kongress, angeführt von Senator John McCain, ein Verbot für die Verwendung des Triebwerks in amerikanischen Raketen nach Ende 2022 durchzusetzen. Dies hat die Air Force gezwungen, eine neue Rakete als Nachfolgerin für die Atlas 5 mit RD-180-Antrieb zu finden.

Das alles wirft eine Frage auf: Wie konnte ein jahrzehntealtes russisches Triebwerk zur Messlatte werden, an der sich Amerikas beste Raketenwissenschaftler messen?

Wenn man verstehen will, was das RD-180 zu einem so guten Triebwerk gemacht hat, muss man wissen, dass eine Menge Handwerk im Spiel ist. Obwohl Hunderte von Menschen an Raketentriebwerken mitarbeiten, ist es wichtig, dass jemand mit einem Gespür für gutes Design die Verantwortung trägt: Die Kompromisse sind zu komplex, als dass sie mit roher Gewalt oder durch ein Komitee herausgefunden werden könnten. Im Fall des RD-180 hieß diese Person Valentin Glushko.

Nachdem die UdSSR im Wettlauf zum Mond gegen Amerika verloren hatte, wurde die Entwicklung des bestmöglichen Raketentriebwerks zu einer „nationalen Priorität“, so Vadim Lukashevich, ein Luft- und Raumfahrtingenieur und russischer Raumfahrthistoriker. Die sowjetische Führung wollte die leistungsstärkste Rakete der Welt, die Energia, bauen, um ihre Raumstationen in der Erdumlaufbahn aufrechtzuerhalten und die Buran, eine spätere russische Raumfähre, anzuheben. Glushko erhielt die Mittel, um das bestmögliche Triebwerk zu bauen, und er war gut im Bau von Triebwerken. Das Ergebnis war das RD-170, der ältere Bruder des RD-180.

Das RD-170 war eines der ersten Raketentriebwerke, das eine Technik namens gestufte Verbrennung verwendete. Das Haupttriebwerk der US-Raumfähre, ebenfalls in den 1970er Jahren entwickelt, war ein weiteres. Im Gegensatz dazu waren die F-1-Triebwerke in der ersten Stufe der Saturn-V-Rakete, die Apollo zum Mond brachte, von einer älteren, einfacheren Konstruktion, dem so genannten Gasgenerator-Triebwerk. Der entscheidende Unterschied: Triebwerke mit gestufter Verbrennung können effizienter sein, bergen aber auch ein größeres Risiko, zu explodieren. William Anderson, der sich an der Purdue University mit flüssigkeitsbetriebenen Raketentriebwerken befasst, erklärt: „Die Raten der Energiefreisetzung sind einfach extrem“. Man muss schon eine sehr scharfsinnige Vorstellungskraft haben, um die verrückten Vorgänge in den Verbrennungskammern von Raketenmotoren zu verstehen, sagt Anderson. In Russland war diese scharfsinnige Person Glushko.

„Es wurde so viel in das Shuttle investiert, dass niemand bei der NASA über die Entwicklung eines sauerstoffreichen Triebwerks mit gestufter Verbrennung sprechen wollte … Sauerstoff verbrennt die meisten Dinge, wenn man einen Funken liefert.“

Um zu verstehen, warum Glushkos Triebwerke eine solche technische Errungenschaft waren, müssen wir ein wenig in die Technik einsteigen.

Es gibt zwei wichtige Maßstäbe für die Leistung einer Rakete: den Schub oder die Kraft, die eine Rakete ausübt, und den spezifischen Impuls, ein Maß dafür, wie effizient sie ihre Treibstoffe nutzt. Eine Rakete mit hohem Schub, aber niedrigem spezifischem Impuls wird die Umlaufbahn nicht erreichen – sie müsste so viel Treibstoff mitführen, dass das Gewicht des Treibstoffs mehr Treibstoff erfordern würde, und so weiter. Umgekehrt würde eine Rakete mit hohem spezifischem Impuls, aber geringem Schub nie den Boden verlassen. (Solche Raketen funktionieren jedoch gut im Weltraum, wo ein gleichmäßiger Schub ausreicht.)

Ein Raketentriebwerk verbrennt, ähnlich wie ein Flugzeugtriebwerk, Treibstoff zusammen mit einem Oxidationsmittel – oft Sauerstoff – um heißes Gas zu erzeugen, das sich nach unten und aus der Triebwerksdüse ausdehnt und das Triebwerk in die andere Richtung beschleunigt. Im Gegensatz zu Düsentriebwerken, die den Sauerstoff aus der Umgebungsluft beziehen, müssen Raketen ihren eigenen Sauerstoff (oder ein anderes Oxidationsmittel) mitführen, denn im Weltraum gibt es natürlich keinen. Wie Düsenflugzeuge benötigen auch Raketen eine Möglichkeit, den Treibstoff und den Sauerstoff mit hohem Druck in die Verbrennungskammer zu drücken, denn ein höherer Druck bedeutet eine bessere Leistung. Zu diesem Zweck werden in Raketen Turbopumpen eingesetzt, die sich mit Hunderten von Umdrehungen pro Sekunde drehen. Die Turbopumpen werden von Turbinen angetrieben, die wiederum von Vorbrennern angetrieben werden, die ebenfalls einen Teil des Treibstoffs und des Sauerstoffs verbrennen.

Der entscheidende Unterschied zwischen Triebwerken mit gestufter Verbrennung wie dem RD-180 und Gasgenerator-Triebwerken wie dem F-1 der Saturn liegt darin, was mit den Abgasen aus diesen Vorbrennern geschieht. Während Gasgeneratortriebwerke das Abgas über Bord werfen, wird es bei Triebwerken mit gestufter Verbrennung wieder in die Hauptbrennkammer eingeleitet. Ein Grund dafür ist, dass die Abgase ungenutzten Kraftstoff und Sauerstoff enthalten – die Vorverbrenner können nicht alles verbrennen. Es wegzuwerfen ist eine Verschwendung, was bei einer Rakete, die jedes Pfund Treibstoff und Sauerstoff, das sie verbraucht, auch wieder hochheben muss, von Bedeutung ist. Aber die Wiedereinleitung der Abgase erfordert ein feines Gleichgewicht der relevanten Drücke und Durchflussraten, damit die Triebwerke nicht explodieren. Damit das funktioniert, ist eine ganze Reihe von Turbopumpen erforderlich. Expertenteams benötigen in der Regel ein Jahrzehnt oder mehr an Simulationen und Tests, um herauszufinden, wie man es richtig macht.

Die RD-170 und RD-180 haben einen weiteren Vorteil. Sie sind sauerstoffreich, was genau das bedeutet, wonach es klingt: Sie injizieren zusätzlichen Sauerstoff in das System. (Das Haupttriebwerk des Space Shuttle ist dagegen ein treibstoffreiches Triebwerk.) Sauerstoffreiche Triebwerke neigen dazu, sauberer zu brennen und leichter zu zünden. Sie ermöglichen auch höhere Drücke in den Brennkammern und damit eine bessere Leistung – aber sie sind anfälliger für Explosionen, weshalb in den USA jahrzehntelang keine größeren Anstrengungen unternommen wurden, sie zum Laufen zu bringen. „Es wurde so viel in das Shuttle investiert, dass niemand bei der NASA über die Entwicklung eines sauerstoffreichen Triebwerks mit gestufter Verbrennung sprechen wollte“, sagt Anderson. „Sauerstoff verbrennt die meisten Dinge, wenn man ihm einen Funken gibt“. Dies erfordert große Sorgfalt bei den Materialien, die für den Bau des Triebwerks verwendet werden, und eine noch größere Sorgfalt bei der Sicherstellung, dass keine Fremdkörper – wie z. B. Metallpartikel – in das Triebwerk gelangen. „Je mehr wir über die physikalischen Vorgänge in einer Verbrennungskammer lernen, desto mehr erkennen wir, wie unbeständig sie wirklich ist“, sagt Anderson.

Wenn das RD-170 das wohl beste Raketentriebwerk seiner Generation war, so war das Haupttriebwerk des Space Shuttle wohl das zweitbeste (und in der Herstellung wesentlich teurer). Keines der beiden Triebwerke konnte sein Potenzial voll ausschöpfen. Das Spaceshuttle-Triebwerk war eine Zitrone von einem Fahrzeug, das viel schwerfälliger war, als seine Konstrukteure es sich erhofft hatten. Das RD-170 hingegen flog nur zweimal: einmal 1987 und einmal 1988. Obwohl die Entwicklung des RD-170 eine nationale Priorität gewesen war, stand die Sowjetunion kurz vor dem Zusammenbruch, als Glushko den Beweis erbrachte, dass er funktionierte.

Die 1990er Jahre waren eine turbulente Zeit in Russland, insbesondere für das Raumfahrtprogramm. Um ohne staatliche Finanzierung zu überleben, wandten sich die neu privatisierten Luft- und Raumfahrtunternehmen dem kommerziellen Markt zu.

Zu diesem Zeitpunkt zog Jim Sackett, ein Ingenieur, der für Lockheed im Johnson Space Center der NASA in Houston gearbeitet hatte, nach Moskau. Lockheed interessierte sich für den Einsatz der sauerstoffreichen gestuften Verbrennung zum Antrieb der nächsten Generation von Atlas-Raketen, mit denen das Unternehmen um Aufträge der Air Force und der NASA konkurrieren wollte.

Sackett, der mit der Leitung des Moskauer Büros von Lockheed betraut wurde, sollte sich an Energomash wenden, ein postsowjetisches Unternehmen der Raumfahrtindustrie, das Eigentümer des RD-170 und der damit verbundenen Triebwerkstechnologie wurde. Energomash begrüßte das Interesse von Lockheed enthusiastisch. Doch das RD-170 war zu leistungsstark: Die Atlas-Raketen, die Lockheed ins All schicken wollte, waren wesentlich kleiner als die Energia, für die das RD-170 entwickelt worden war. Also halbierte Energomash das Triebwerk – das Unternehmen entwarf einen Vorschlag für ein Zweikammer-Derivat des RD-170 mit vier Kammern, das in der Atlas verwendet werden konnte. Dies war die Geburtsstunde des RD-180.

Die Beziehung erforderte eine bemerkenswerte Integration zwischen russischen und amerikanischen militärisch-industriellen Auftragnehmern. Lockheed richtete ein Büro bei Energomash in einem Moskauer Vorort ein. Es war ein riesiger Betrieb, erinnert sich Sackett. „Sie haben dort ein Metallurgiewerk, schmieden also ihre eigenen Metalle“, sagt er. „Sie haben ihre eigenen Maschinenwerkstätten und ihre eigenen Testeinrichtungen. Das ist eine ganze Menge, alles unter einem Dach. Und am Ende wird daraus ein Raketentriebwerk“

Es dauerte etwa ein Jahr lang, in dem Sacketts Team täglich eingehende technische Besprechungen mit Führungskräften und Ingenieuren von Energomash abhielt, um zu verstehen, ob die vorgeschlagenen Käufe von RD-180-Triebwerken funktionieren würden oder nicht. Lockheed wollte ein kleines, unverbindliches Geschäft. Energomash strebte eine langfristige Vereinbarung an. Der Vertrag wurde am Ende einer sechsstündigen Marathonsitzung im Jahr 1996 unterzeichnet, so Sackett. Das Ergebnis: ein Milliardengeschäft mit 101 Triebwerken.

Die US-Luftwaffe, Lockheeds Hauptkunde, verlangte Zugang zu 10 Schlüsseltechnologien, die für die Produktion des RD-180 benötigt wurden, für den Fall, dass die Beziehungen zu Russland jemals scheitern und Amerika die Triebwerke selbst herstellen müsste. Es war eine große Forderung. Die USA waren hinter einem Kronjuwel der sowjetischen Raumfahrttechnologie her, und die russische Regierung war nicht begeistert. „Aber sie sahen keine Alternative“, sagt Sackett, „denn das Land hatte nicht nur einen Sinneswandel, es ging pleite. Sie waren einfach völlig pleite. So haben sie das Unternehmen gerettet.“

Obwohl der amerikanisch-russischen Zusammenarbeit bei der Internationalen Raumstation mehr Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ging die RD-180-Zusammenarbeit in vielerlei Hinsicht tiefer. Schließlich ist die Raumstation für die nationale Sicherheit beider Länder nicht von entscheidender Bedeutung, Aufklärungs- und Kommunikationssatelliten hingegen schon.

Nun, da die Beziehungen zwischen den beiden Ländern abgekühlt sind, so Sackett, könnten die USA das RD-180 einfach im eigenen Land herstellen. Die Kritiker des Triebwerks sagen, dass dies astronomisch teuer wäre. Aber die Kosten „sollten nicht astronomisch sein! sagt Sackett. „Wir haben hier kluge Leute, und wir haben das Rezept! Das ist genau der Grund, warum wir diese 10 Schlüsseltechnologien identifiziert und ausgehandelt haben, so dass wir die Zeichnungen und Notizen nehmen und sie dann bauen können.“

Das wird wahrscheinlich nicht passieren, zum Teil, weil amerikanische Unternehmen nach Jahrzehnten der Stagnation endlich an Triebwerken arbeiten, die besser sein könnten als das RD-180.

Die Leistung eines Triebwerks hat großen Einfluss auf die Konstruktion der darüber liegenden Rakete. Als der Kongress der Luftwaffe vorschrieb, das RD-180 nicht mehr zu verwenden, löste dies einen Wettbewerb nicht nur für ein neues Triebwerk, sondern für eine völlig neue Rakete aus. Ein solcher Wettbewerb war unvermeidlich – schließlich halten Konstruktionen nicht ewig. Da die Entwicklung neuer Triebwerke und Raketen jedoch teuer und zeitaufwändig ist, ist der Zeitpunkt für einen Wechsel immer politisch umstritten. Das vom Kongress verhängte Verbot des RD-180 zwang zu diesem Schritt.

Es gibt vier ernsthafte Bewerber für den Bau dieser neuen Rakete: SpaceX, Blue Origin, die United Launch Alliance (ein Gemeinschaftsunternehmen von Boeing und Lockheed Martin, bekannt unter dem Kürzel ULA) und Northrop Grumman. Es werden zwei von ihnen ausgewählt, da zwei Gewinner einen ständigen Wettbewerb schaffen, während die Benennung eines Gewinners zu einem Monopol führen würde, das dann die Luftwaffe ausbeuten könnte. Tausende von Arbeitsplätzen stehen auf dem Spiel: Wenn ULA verliert, könnte das Unternehmen in Konkurs gehen.

Die New Glenn, Blue Origins Beitrag zum Wettbewerb, verwendet das BE-4, Blue Origins neuestes und leistungsstärkstes Triebwerk. (Wie auch die Rakete von ULA – beide Unternehmen sind gleichzeitig Konkurrenten und Geschäftspartner). Die Konstruktionen des BE-4 und der Raptor von SpaceX sind in entscheidender Weise vom RD-180 beeinflusst. Das BE-4 ist ein sauerstoffreiches Stufenverbrennungstriebwerk, wie das RD-170 und RD-180. Der Raptor ähnelt dem RD-180 insofern, als er die Abgase des Vorbrenners in die Brennkammer leitet, so dass fast der gesamte in den Raketentanks gespeicherte Treibstoff und Oxidator zur Schuberzeugung verwendet wird. Das Raptor-Triebwerk basiert jedoch auf einer Abwandlung des Glushko-Ansatzes: Die Turbopumpen werden sowohl mit treibstoff- als auch mit oxidationsmittelreichen Strömen angetrieben, was theoretisch zu einem maximalen Wirkungsgrad führt.

In gewisser Weise sind das BE-4 und der Raptor wie ein Versuch, mit modernen Methoden eine bessere Geige zu bauen als die Stradivari. Blue Origin und SpaceX haben Zugang zu besseren Diagnosen und ausgefeilteren Simulationstechniken als Glushko. Außerdem haben sie ein weiteres Konstruktionsmerkmal, das für die amerikanische Luftwaffe wichtig ist: Sie werden in den USA hergestellt.

Der wahrscheinlich größte technische Vorteil dieser neuen Triebwerke gegenüber dem RD-180 besteht darin, dass sie Methan als Treibstoff verwenden und nicht Kerosin, wie das RD-180. Kerosin kann die Triebwerke nach wiederholter Verwendung verstopfen. Methan hat einen höheren spezifischen Impuls und verbrennt sauberer. Außerdem lässt es sich (im Prinzip) viel leichter auf dem Mars synthetisieren, was Musk anstrebt.

Keines der beiden neuen Triebwerke hat bisher die Umlaufbahn erreicht. SpaceX plant für diesen Sommer Testflüge mit seiner Starhopper-Rakete, die schließlich von drei Raptors angetrieben werden soll. Bei diesen Flügen handelt es sich um kurze Sprünge in einigen tausend Metern Höhe über dem Testgelände von SpaceX in Texas. Blue Origin testet die BE-4 ebenfalls in Texas und hat mit dem Bau einer Fabrik in Alabama begonnen, in der die Triebwerke hergestellt werden sollen. Das Unternehmen hat von der Air Force den Startkomplex 36 gemietet, wo das RD-180 zum ersten Mal gestartet ist, und plant, das New Glenn im Jahr 2021 von dort aus zu starten.

Energomash hofft unterdessen verzweifelt, dass das russische Raumfahrtprogramm seine Triebwerke wieder einsetzt. Etwa 90 % seiner Produktion ist in den letzten Jahren in die USA gegangen, sagt Pavel Luzin, ein Analyst der russischen Raumfahrtindustrie. Wie seine amerikanischen Kollegen läuft Energomash nun Gefahr, von Musk und Bezos überflüssig gemacht zu werden – die mit ihrer Freiheit von alten Konstruktionszwängen und ihrer Bereitschaft, Geld auszugeben und Risiken einzugehen, die Entwicklung von Raketentriebwerken endlich aus ihrem jahrzehntelangen Stillstand herausgerissen haben.