Neues Verfahren soll die Herstellung von Hitzeschilden stark beschleunigen

Hitzeschilde, Raketendüsen und Nasenspitzen von Hyperschallflugkörpern müssen Temperaturen aushalten, bei denen viele andere Werkstoffe längst an ihre Grenzen kommen. Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe, kurz C/C, sind für solche Aufgaben besonders interessant. Sie bestehen aus Kohlenstofffasern, die in eine ebenfalls kohlenstoffhaltige Matrix eingebettet sind.

Das Ergebnis ist ein leichter Werkstoff, der seine mechanischen Eigenschaften auch bei sehr hohen Temperaturen behält. Das Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) nennt Temperaturen von mehr als 2800 °C. Solche Werte dürfen allerdings nicht darüber hinwegtäuschen, dass Carbon-Carbon eine entscheidende Schwäche besitzt: In sauerstoffhaltiger Umgebung beginnt Kohlenstoff bei hohen Temperaturen zu oxidieren. Für Anwendungen in der Atmosphäre sind daher meist zusätzliche Schutzschichten oder andere Maßnahmen gegen Oxidation nötig.

Trotzdem gehört C/C zu den wichtigen Werkstoffen für thermisch extrem belastete Bauteile. Ein prominentes Beispiel ist die Parker Solar Probe der NASA. Ihr etwa 2,4 m großer Hitzeschild besitzt Carbon-Carbon-Decklagen mit einem leichten Kohlenstoffschaum dazwischen. Auf der Sonnenseite können laut NASA Temperaturen von fast 1400 °C auftreten.

Bei Hyperschallflugkörpern kommt eine andere Belastung hinzu: Die Luft vor dem Fahrzeug wird stark komprimiert und erhitzt. Warum dabei Temperaturen von mehreren tausend Grad entstehen können, erklären wir im Beitrag „Die Physik hinter Hyperschallwaffen: Wenn Luft zu Plasma wird“.

Warum Carbon-Carbon so lange braucht

Die hohe Temperaturbeständigkeit hat ihren Preis. Ein fertiges C/C-Bauteil entsteht nicht dadurch, dass Kohlenstofffasern einfach zusammengepresst werden. Am Anfang steht eine poröse Faserstruktur. Die vielen Zwischenräume müssen mit Kohlenstoff gefüllt werden, bis eine ausreichend dichte Matrix entstanden ist. Erst sie verbindet und stabilisiert die Fasern und gibt dem Verbund seine gewünschten Eigenschaften.

Dafür kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Bei der chemischen Gasphaseninfiltration dringt ein kohlenstoffhaltiges Gas in die Poren ein. Unter hohen Temperaturen lagert sich dort Kohlenstoff ab. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Faserstruktur mit kohlenstoffreichen Harzen zu tränken. Beim anschließenden Erhitzen werden andere Bestandteile entfernt und Kohlenstoff bleibt zurück.

Das Problem: Ein Durchgang genügt meist nicht. Beim Pyrolysieren schrumpft das Material, Poren bleiben zurück. Deshalb folgen weitere Zyklen aus Infiltrieren, Erhitzen und Verdichten. So wächst die Dichte Schritt für Schritt – und mit ihr die Produktionszeit.

Das APL zeigt dafür ein anschauliches Beispiel. Eine kommerziell hergestellte Vergleichsprobe war nach Angaben des Labors 36 Wochen lang konventionell verarbeitet worden. Diese Zeit ist kein allgemeingültiger Wert für jedes C/C-Bauteil, zeigt aber, wie aufwendig die Herstellung sein kann.

FAST CAR² soll die Verdichtung in einem Schritt erledigen

Genau hier setzt das neue Verfahren an. Es heißt FAST CAR², kurz für „Field-Assisted Sintering Technique for Carbon-Carbon“. Statt die Faserstruktur immer wieder mit Gas oder Harz zu infiltrieren, bringen die Forschenden ein kohlenstoffhaltiges Material direkt in das Fasergerüst ein. Anschließend wird die Struktur mit einer Field-Assisted-Sintering-Anlage verdichtet.

Dabei wirken hoher Druck und sehr schnelle elektrische Widerstandsheizung zusammen. Vereinfacht gesagt: Strom heizt das Material in kurzer Zeit stark auf, während eine Presse es gleichzeitig verdichtet.

Der eigentliche Verdichtungsschritt soll laut APL nur wenige Minuten benötigen. Der komplette Herstellungsprozess ist damit nicht nach wenigen Minuten abgeschlossen. Vorbereitung und weitere Arbeitsschritte dauern weiterhin länger.

Die erste Carbon-Carbon-Probe entstand nach Angaben des Teams dennoch innerhalb von weniger als einer Woche. Später fertigten die Forschenden einen rund 2,5 cm großen Zylinder innerhalb weniger Tage. Das APL spricht von weniger als einem Zehntel der Zeit, die konventionelle Verfahren benötigen würden.

Elektrisch unterstütztes Sintern ist nicht völlig neu

Die Idee, Carbon-Carbon mit Hilfe elektrischer Felder und Strom schneller zu verdichten, ist allerdings nicht grundsätzlich neu. Bereits frühere Arbeiten und Patentanmeldungen beschreiben Verfahren, bei denen Carbon-Carbon mittels Electric Field Assisted Sintering oder Spark Plasma Sintering verarbeitet wird. Eine 2024 veröffentlichte Patentanmeldung von Battelle Energy Alliance beschreibt beispielsweise einen solchen Ansatz für C/C-Strukturen.

FAST CAR² sollte daher nicht als Erfindung des elektrisch unterstützten Sinterns von Carbon-Carbon verstanden werden. Das APL präsentiert vielmehr einen eigenen Prozess, der die sonst üblichen mehrfachen Verdichtungszyklen durch einen einzelnen schnellen Schritt ersetzen soll.

Wie sich das Verfahren technisch von allen bisherigen Ansätzen abgrenzt, lässt sich bislang allerdings nur eingeschränkt beurteilen. Eine ausführliche Fachpublikation mit sämtlichen Prozessparametern und Materialkennwerten hat das APL zusammen mit seiner Mitteilung nicht veröffentlicht.

Kleinere Poren, aber noch fehlen viele Messwerte

Eine schnelle Produktion wäre wenig wert, wenn das Material dabei schlechter würde. Deshalb untersuchte das Team seine Proben unter anderem per Computertomografie. Dabei zeigte sich ein deutlicher Unterschied. In der kommerziellen Vergleichsprobe waren Poren bis in die Größenordnung von einem Millimeter zu erkennen. Bei den FAST-CAR²-Proben beschreibt das APL Poren von nur wenigen Mikrometern.

Das Labor spricht von vergleichbaren oder teilweise höheren Dichten als bei konventionell produziertem Carbon-Carbon. Konkrete Dichtewerte nennt die Mitteilung jedoch nicht.

Auch die Belastbarkeit wurde getestet. Die Forschenden setzten Proben einem HVOF-Test (High-Velocity Oxy-Fuel) aus. Dabei trifft ein sehr heißer Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit auf die Oberfläche des Materials. Solche Versuche können zeigen, wie sich ein Werkstoff unter hoher thermischer und erosiver Belastung verhält. Nach Angaben des APL schnitten die FAST-CAR²-Proben dabei ähnlich ab wie industriell hergestelltes Material.

Die nächste Hürde misst mehr als 20 cm

Begonnen hat das Team mit Zylindern von etwa einem Zoll Durchmesser, also rund 2,5 cm. Inzwischen entstanden mehrere Proben mit sechs Zoll und schließlich eine mit acht Zoll Durchmesser. Das sind rund 15 beziehungsweise 20 cm. Die Forschenden suchen nun Zugang zu größeren Pressen.

Damit beginnt der schwierigere Teil der Entwicklung. Auch das APL bezeichnet die Skalierung als zentrale Herausforderung. Bei größeren Bauteilen müssen Strom, Temperatur und Druck über eine größere Fläche kontrolliert werden. Gleichzeitig darf das Material keine unzulässigen Poren, Risse oder starken Eigenschaftsunterschiede entwickeln.

Hinzu kommt die Anlagentechnik. Frühere Arbeiten zum elektrisch unterstützten Sintern von Carbon-Carbon weisen darauf hin, dass große Graphitwerkzeuge teuer werden können und sich nicht beliebig einfach auf industrielle Dimensionen übertragen lassen. Aus einem 20-cm-Zylinder wird daher nicht automatisch ein mehrere Quadratmeter großer Hitzeschild. Auch komplexe Formen sind eine andere Aufgabe als einfache zylindrische Proben.

Carbon-Carbon ist nur ein Weg durch die Hitze

Für besonders heiße Bereiche von Hyperschallflugkörpern und Raumfahrzeugen wird deshalb an mehreren Werkstoffklassen gleichzeitig gearbeitet. Neben Carbon-Carbon spielen beispielsweise Ultrahochtemperaturkeramiken eine wichtige Rolle.

Wie sich Zirkoniumkarbid durch eine spezielle Mikrostruktur gleichzeitig fester und bruchzäher machen lässt, haben Forschende kürzlich gezeigt. Mehr dazu im Beitrag „Material für Mach-5+: Neue Keramikstruktur löst ein altes Problem“.

Carbon-Carbon bringt wiederum andere Vorteile mit: geringes Gewicht, gute Temperaturwechselbeständigkeit und hohe Festigkeit auch bei großer Hitze. Problematisch bleiben neben der aufwendigen Herstellung vor allem Oxidation und Kosten. FAST CAR² könnte zumindest einen dieser Nachteile deutlich reduzieren.

Quellen

• Johns Hopkins Applied Physics Laboratory: Johns Hopkins APL Breakthrough Puts Heat-Resistant Materials on a Faster Track, 3. September 2026
• NASA: Cutting-Edge Heat Shield Installed on NASA’s Parker Solar Probe
• WIPO/Google Patents: Methods of forming carbon-carbon composites using electric field assisted sintering, WO2024077272A2
• Journal of the European Ceramic Society: Advances in oxidation and ablation resistance of high and ultra-high temperature ceramics modified or coated carbon/carbon composites