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Raketentriebwerke mit Kühlkanälen durch additive Fertigung

Additive Fertigung
Raketentriebwerke mit Kühlkanälen durch additive Fertigung

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Design-Demonstrator: Die Aerospike-Düse wurde per „Laser Powder Bed Fusion“ additiv gefertigt. Bild: Fraunhofer IWS
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30 % weniger Treibstoff als konventionelle Triebwerke soll ein additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher verbrauchen, das an der TU Dresden entwickelt wurde.

Microlauncher sind eine Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Nutzlasten bis 350 kg befördern; künftig sollen sie kleine Satelliten in den Weltraum bringen. Effizient antreiben lassen sich Microlauncher mit Aerospike-Triebwerken. Diese stellen eine erhebliche Massereduktion und auch auch eine signifikante Treibstoffersparnis in Aussicht. 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 Aerospike-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.

„Nur durch die Freiheiten der Additiven Fertigung und die Einbettung dieser in konventionelle Prozessketten ist es uns möglich, so effiziente Triebwerke 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 % gegenüber konventionellen Raketen. Darüber hinaus sind sie kompakter als konventionelle Systeme, wodurch die Masse des Gesamtsystems sinkt. 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.

Rakete aus Metall lässt sich nicht fräsen oder gießen

„Wir haben 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, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS. Die Anforderungen an das Metall: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. Eine aktive Kühlung ist erforderlich, da in der Brennkammer Temperaturen von mehreren 1.000 °C herrschen.

In dem Projekt „CFDμSAT“, das im Januar 2020 startete, legen die Wissenschaftler den Fokus auf das Einspritzsystem, um die Effizienz der Antriebssysteme weiter zu steigern. Assoziierte Partner im Projekt sind die Ariane Group und Siemens. Auf dem Teststand der TU Dresden testeten die Forscher den Prototypen des Aerospike-Triebwerks bereits. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 s. „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.“ (sk)

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