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Additive Fertigung

Ein Triebwerk aus dem 3D-Drucker

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Microlauncher sind eine Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Nutzlasten bis 350kg befördern und sollen künftig 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. Der skalierte Prototyp aus Metall soll 30 Prozent weniger Treibstoff als konventionelle Triebwerke verbrauchen.

Bild: Institute of Aerospace Engineering, TU Dresden/ Fraunhofer IWS

Großbritannien plant im Norden Schottlands den ersten Weltraumbahnhof auf europäischem Boden und auch der Bundesverband der Deutschen Industrie BDI hält einen Weltraumbahnhof hierzulande für sinnvoll. Von dort könnten kleine bis mittelgroße Trägerraketen Forschungsinstrumente und kleine Satelliten ins All bringen. Diese Microlauncher sind für eine Nutzlast von bis zu 350kg ausgelegt. Als eine effiziente Antriebsart für diese Microlauncher anzutreiben gelten sogenannte Aerospike-Triebwerke. Diese führen neben einer erheblichen Massereduktion auch zu einer signifikanten Treibstoffersparnis. Im Laufe der vergangenen beiden Jahre hat ein Forscherteam des Fraunhofer IWS zusammen mit dem Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden ein solches Triebwerk entwickelt, gefertigt und getestet. 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.

30 Prozent weniger Treibstoff

„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 Mirco Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS. Die Aerospike-Düse des Fraunhofer IWS und der TU Dresden passt sich auf dem Weg von der Erde in den Orbit besser an die Druckverhältnisse an und benötigt weniger Treibstoff.

Schicht für Schicht

„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. Das Metall muss dabei 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.

Im Projekt ‘CFD?SAT‘ legen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS und der TU Dresden den Fokus auf das Einspritzsystem. Projektpartner sind die ArianeGroup und die Siemens AG. Die Fertigung der Injektoren stellt besonders hohe Anforderungen an Design und Fertigung. „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«, erklärt Müller den Vorgang der Schubentwicklung.


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