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Ein Triebwerk aus dem 3D-Drucker

Bild: Institute of Aerospace Engineering, TU Dresden/ Fraunhofer IWSBild: Institute of Aerospace Engineering, TU Dresden/ Fraunhofer IWS
Design-Demonstrator: Die additiv gefertigte Aerospike-Düse.

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 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. "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. "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 innenliegenden, 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 Metall muss dabei bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. Im Projekt 'CFDµSAT' legen die Wissenschaftler den Fokus auf das Einspritzsystem. Projektpartner sind die Ariane Group und die Siemens AG.

Fraunhofer-Institut IWS

Dieser Artikel erschien in IT&Production 2 (März) 2020 - 09.03.20.
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