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Leichter und mit weniger Treibstoff ins All

Dresdner Wissenschaftler entwickeln additiv gefertigtes Aerospike-Triebwerk für Microlauncher

Design-Demonstrator: Die additiv gefertigte Aerospike-Düse.

Design-Demonstrator: Die additiv gefertigte Aerospike-Düse.
Foto: Fraunhofer IWS

Microlauncher sind eine Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Nutzlasten bis 350 Kilogramm befördern, künftig sollen sie kleine Satelliten in den Weltraum bringen.

Forscher am Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden ein additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher entwickelt. Die Besonderheit: 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.

Effiziente Triebwerke dank 3D-Druck

„Die technologische Konzeption der Aerospike-Triebwerke ist erstmals in den 1960er Jahren aufgekommen. 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. 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. „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“, erläutert Mirko Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS und Kollege von Michael Müller. Die Dresdner 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.
„Bei der Herstellung der Rakete aus Metall haben wir uns 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“, so Mirko 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. „In der Brennkammer herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius, insofern ist eine aktive Kühlung erforderlich“, erläutert Michael Müller.

Aerospike im Feuertest

Auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden erprobten die 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.“

www.iws.fraunhofer.de