3D-Druck trifft Raumfahrt: Erster erfolgreicher Test eines additiv gefertigten Wasserstoffper­oxid/Kerosin-Aerospike-Triebwerks

Der Arbeitsgruppe „Raumtransportsysteme“ an der Professur für Raumfahrtsysteme der TU Dresden ist ein Durchbruch in der Raumfahrttechnik gelungen. Im Rahmen des von der European Space Agency (ESA) geförderten Projekts ASPIRER führten die Wissenschaftler:innen den weltweit ersten Heißgastest eines 3D-gedruckten Aerospike-Triebwerks mit einer nachhaltigeren Treibstoffkombination aus hochkonzentriertem Wasserstoffperoxid und Kerosin erfolgreich durch. Das Projekt wird in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, der ArianeGroup und dem Warschauer Institute of Aviation umgesetzt.

Aerospike-Triebwerke sparen im Vergleich zu klassischen Raketentriebwerken mit Glockendüsen deutlich Treibstoff und punkten durch ihre hohe Effizienz. Sie sind jedoch auch komplexer und schwieriger beherrschbar.

© Christoph Wilsnack

Während der Testkampagne lief das Triebwerk sowohl im Mono-Propellant-Modus mit nur einem Treibstoff als auch im Bi-Propellant-Modus mit beiden Treibstoffen. Im Mono-Propellant-Modus wird das Wasserstoffperoxid durch einen integrierten chemischen Katalysator unter hohen Temperaturen zersetzt. Als Endprodukte verbleiben lediglich Wasserdampf und Sauerstoff, wodurch der Treibstoff eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Antriebsstoffen darstellt. Im Bi-Propellant-Modus wird zudem Kerosin eingespritzt, wodurch sich das Gemisch ohne zusätzliche mechanische Komponenten selbst entzündet. Das Triebwerk ist für einen operativen Betriebsdruck von 20 bar ausgelegt und liefert bei Volllast 6 kN Schub.

Die Herausforderungen bei Aerospike-Triebwerken liegen vor allem in der Kühlung. Erst durch den Einsatz der additiven Fertigung in Form von modernen 3D-Druckverfahren wie der Laser Powder Bed Fusion (LPBF), können diese Triebwerke sinnvoll konstruiert und hergestellt werden. Zudem testeten die Wissenschaftler:innen erfolgreich eine neu entwickelte, hitzebeständige Keramikbeschichtung für die Brennkammerelemente.

Dank ihrer leichten und kompakten Bauweise eignen sich Aerospike-Triebwerke für verschiedene Missionsszenarien, wie etwa für Trägerraketen, Expeditionen zum Mars und Saturnmond Titan oder Mondlandefähren. Insbesondere im letztgenannten Anwendungsszenario könnten Aerospike-Triebwerke eine nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen, hydrazinbasierten Antrieben darstellen, deren Einsatz aufgrund gesundheitlicher und ökologischer Risiken kritisch betrachtet wird. Die besondere Form der Triebwerke ermöglicht zudem größere Gestaltungsfreiheit, so dass Mondlandefähren flacher gebaut werden können. Dies vereinfacht das Be- und Entladen durch Astronaut:innen sowie das Entsenden von Rovern.

Das Institut für Luft- und Raumfahrttechnik untersucht darüber hinaus die Eignung alternativer Verfahren zur Triebwerkssteuerung und deren Vorteile gegenüber konventionellen Systemen. Langfristig sollen so der geringe technologische Reifegrad und die damit verbundenen Unsicherheiten bei Aerospike-Triebwerken überwunden werden.

Kontakt
Dr. Christian Bach
Professur für Raumfahrtsysteme
Institut für Luft- und Raumfahrttechnik
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Web: Raumtransportsysteme — Professur für Raumfahrtsysteme — TU Dresden