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Raumfahrt Mit 3D-gedrucktem Raketentriebwerk ins Weltall

| Redakteur: Katharina Juschkat

Aerospike-Triebwerke sind leicht und sparen viel Treibstoff ein – doch bisher war es kaum möglich, sie herzustellen. Mittels additiver Fertigung ist das Forschern des Fraunhofer IWS und der TU Dresden gelungen.

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Forschern ist es mittels Additiver Fertigung gelungen, ein funktionierendes Aerospike-Triebwerk herzustellen. Der Prototyp kann auf der Hannover Messe betrachtet werden.
Forschern ist es mittels Additiver Fertigung gelungen, ein funktionierendes Aerospike-Triebwerk herzustellen. Der Prototyp kann auf der Hannover Messe betrachtet werden.
(Bild: Fraunhofer IWS Dresden)

Um kleine Satelliten mit einer Nutzlast bis 350 kg ins All zu bekommen, braucht es keine ganze Trägerrakete. Sogenannte Microlauncher sind eine gute Alternative. Um damit mehr Treibstoff einzusparen, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden ein neues Raketentriebwerk additiv entwickelt, gefertigt und getestet. Mit dem neuen Aerospike-Triebwerk soll erheblich Gewicht und Treibstoff eingespart werden.

Die Besonderheit des neuen Aerospike-Triebwerks: Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse werden per Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), einem additiven Fertigungsverfahren, Schicht für Schicht hergestellt. Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden.

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Additive Fertigung macht effiziente Triebwerke erst möglich

Die technologische Konzeption der Aerospike-Triebwerke ist bereits in den 1960er Jahren entstanden. „Aber nur durch die Freiheiten der Additiven Fertigung und die Einbettung dieser in konventionelle Prozessketten ist es uns möglich, so effiziente Triebwerke überhaupt herzustellen“, sagt Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), das gemeinsam vom Fraunhofer IWS und der TU Dresden betrieben wird.

Wir haben nachgewiesen, dass sich mittels Additiver Fertigung ein funktionierendes Flüssigkeitstriebwerk herstellen lässt.

Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter AMCD

Aerospike Rocket Engines versprechen eine Treibstoffeinsparung von etwa 30 Prozent gegenüber konventionellen Raketen. Darüber hinaus sind sie kompakter als konventionelle Systeme, wodurch die Masse des Gesamtsystems sinkt. Mirco Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS, erklärt: „In der Raumfahrt ist jedes eingesparte Gramm Gold wert, da man weniger Treibstoff in den Orbit mitnehmen muss. Je schwerer das Gesamtsystem, desto weniger Nutzlast kann transportiert werden.“ Die Aerospike-Düse passt sich auf dem Weg von der Erde in den Orbit besser an die Druckverhältnisse an. Dadurch ist sie effizienter und benötigt weniger Treibstoff als herkömmliche Triebwerke.

Wie das Triebwerk hergestellt wurde

Design-Demonstrator: Die additiv gefertigte Aerospike-Düse.
Design-Demonstrator: Die additiv gefertigte Aerospike-Düse.
(Bild: Institute of Aerospace Engineering, TU Dresden/ Fraunhofer IWS)

Bei der Herstellung der Rakete haben sich die Forscher für die Additive Fertigung entschieden, da das Triebwerk eine sehr gute Kühlung und innen liegende Kühlkanäle erfordert. „Dieses komplexe regenerative Kühlsystem mit innen liegenden, verschlungenen Strukturen lässt sich konventionell nicht fräsen oder gießen“, erklärt Riede.

Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen und anschließend selektiv per Laser aufgeschmolzen. So entsteht nach und nach das Bauteil inklusive der einen Millimeter breiten Kühlkanäle, die der Kontur der Brennkammer folgen. Das Pulver wird nachträglich aus den Kanälen herausgesaugt. Die Anforderungen an das Metall: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, denn in der Brennkammer werden Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius herrschen.

Prototyp erfolgreich getestet

Die Fertigung der Injektoren stellt besonders hohe Anforderungen an Design und Fertigung. Müller erklärt den Vorgang der Schubentwicklung: „Man nutzt die Treibstoffe erst zur Kühlung des Triebwerks, sie erwärmen sich und werden dann in die Brennkammer eingebracht.“ Dabei werden flüssiger Sauerstoff und Ethanol separat zugeführt und über einen Injektor zusammengeführt. Das so entstehende Gasgemisch wird gezündet. Es dehnt sich in der Brennkammer aus, strömt dann durch einen Spalt in der Brennkammer und wird über die Düse entspannt und beschleunigt.

Auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden testeten die Dresdner Forscher den Prototypen des Aerospike-Triebwerks bereits. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 Sekunden. „Das ist ein besonderer Vorgang, denn bislang gibt es noch kaum Tests von Aerospike-Düsen“, sagt Müller. „Wir haben nachgewiesen, dass sich mittels Additiver Fertigung ein funktionierendes Flüssigkeitstriebwerk herstellen lässt.“

Auf der Hannover Messe können Besucher das Raketentriebwerk in Halle 16 an Stand C18 anschauen.

Additive Fertigung in Luft- und Raumfahrt

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