Öffentlich geförderte Projekte

MACARONIS: MAnufactured Ceramic AeROspike Nozzle In Space

Entwicklung von additiv gefertigten Keramikdüsen zur Anwendung im Weltraum

© Fraunhofer IKTS
Hochaufgelöste additiv gefertigte Aerospiketriebwerke für die Schubklasse 2,5 N aus Aluminiumoxid (Al2O3) im Sinterzustand.

Durch den Einzug der additiven Fertigung können für viele Werkstoffe gänzlich neue Anwendungsformen und -felder erschlossen sowie neue Leistungssteigerungs- und Masseeinsparpotentiale erzielt werden. Dies ist unter anderem für den Technologietreiber Luft- und Raumfahrttechnik unbedingt erforderlich. Im Bereich der Hochleistungswerkstoffe kommt dabei den technischen Keramiken eine große Bedeutung zu. Wenngleich diese mittels konventioneller Fertigungsmethoden bereits etabliert wurden, können sie ihr volles Potential durch die damit einhergehenden design- und prozesstechnischen Restriktionen jedoch nur bedingt ausschöpfen. Das große Interesse der Luft- und Raumfahrttechnik an additiv fertigbaren Keramiken besteht aufgrund einer Vielzahl vorteilhafter Materialeigenschaften wie z.B. geringer Dichte, große Wärmebeständigkeit und hohe Festigkeit. Zudem lassen sich Bauteilparameter, wie beispielsweise eine definierte Porosität, prozesstechnisch einstellen. Dadurch können neue Kühlverfahren angewendet und somit weitere Anwendungsfelder erschlossen werden. Als eines der bedeutendsten Institute bei der Entwicklung mannigfaltiger keramischer Bauteile vom Pulver bis zum Endprodukt gilt dabei das Fraunhofer Institut für keramische Technologien und Systeme in Dresden.

In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben mit dem Institut für Luft- und Raumfahrttechnik (ILR) der Technischen Universität Dresden werden die vorteilhaften Charakteristiken additiv gefertigter Keramikbauteile in ein Antriebskonzept für Satelliten überführt. Ziel ist es, ein qualifiziertes Kaltgas-Satellitentriebwerk mit keramischer Düse zu entwickeln, welches in zukünftigen Weltraummissionen experimentell erforscht werden kann. Als Basis dient dabei ein am ILR erforschtes Aerospike-Triebwerk. Dieses verspricht gegenüber klassischen Antrieben mit Glockendüsen Effizienzsteigerungen in Form von Treibstoffeinsparungen, einer kompakten Struktur und damit verbundener Masseneinsparung. Darüber hinaus bietet es perspektivisch die Möglichkeit, durch aerodynamische Schubvektorsteuerung die Funktionen eines primären Antriebs sowie der Lage- und Bahnregelung in ein einziges System zu integrieren. Das additiv generierte keramische Aerospike-Triebwerk ist ein weltweit einzigartiger Ansatz und bietet die Möglichkeit der federführenden Entwicklung hochintegrierter, wiederverwendbarer und ökologischer Antriebssysteme, wie sie in der zunehmend kommerzialisierten Raumfahrt benötigt werden.

Erste Untersuchungen brachten bereits positive Ergebnisse. Es konnte das weltweit erste vollkeramische Aerospike-Triebwerk über das CerAM VPP Verfahren aus Aluminiumoxid erfolgreich ausgelegt, gefertigt und gesintert werden (s. Abbildung).

 

Finanzierung: Mittel der Europäischen Union aus dem EFRE-Fonds

Projektzeitraum: Dezember 2019 bis Dezember 2021

Projektpartner:

Technische Universität Dresden, Institut für Luft- und Raumfahrttechnik, Professur für Raumfahrtsysteme