Additive Fertigung 13.02.2020, 07:00 Uhr

Neues Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher

Wissenschaftler in Dresden haben ein neues Raketentriebwerk entwickelt. Das Besondere: Es wird Schicht für Schicht nach dem Prinzip der additiven Fertigung hergestellt. Als Einsatzgebiet sind mittelgroße Transportsysteme geplant.

Mitarbeiter mit Prototyp

Dieser Prototyp könnte ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem innovativen Raketenantrieb sein.

Foto: Tobias Ritz

Kleine bis mittelgroße Trägerraketen, auch Microlauncher genannt, sind derzeit sehr gefragt. Voraussichtlich wird sich der Markt auch weiterhin gut entwickeln. Zwei Beispiele: Großbritannien möchte im Norden Schottlands den ersten Weltraumbahnhof auf europäischem Boden errichten, und der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) fordert einen Weltraumbahnhof für Deutschland. Hier kommen die Trägerraketen ins Spiel. Sie sind dafür gedacht, von solch einer Basis aus Forschungsinstrumente und kleine Satelliten ins All zu transportieren. Ihre maximale Nutzlast liegt dafür bei 350 Kilogramm. Umso wichtiger ist es, sie mit Triebwerken zu bestücken, die kein großes Eigengewicht haben und einen entsprechend geringen Treibstoffverbrauch.

Genau an diesem Projekt hat ein Forscherteam des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden zusammen mit dem Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gearbeitet. Herausgekommen ist dabei ein additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse. Der skalierte Prototyp aus Metall soll bis zu 30 % weniger Treibstoff als herkömmliche Triebwerke verbrauchen. Außerdem passt sich die Düse nach Angaben der Forscher den Druckverhältnissen im Orbit besser an. Dadurch sei sie effizienter, was neben dem geringen Gewicht zur Treibstoffersparnis beitrage.

Aus Metall-Pulver wird Schicht für Schicht ein Triebwerk

Das Raketentriebwerk besteht im wesentlichen aus Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse – jedes Bauteil wird über das additive Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) in einzelnen Schichten hergestellt. Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, der dazu dient, die Verbrennungsgase zu beschleunigen. „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 von der TU Dresden und dem Fraunhofer IWS betrieben wird.

Für eine Triebwerksdüse sind die Anforderungen an das Material hoch. Metall ist ideal, weil es bei hohen Temperaturen fest bleibt und Wärme gut leiten kann. Das ist wichtig, damit die Kühlung funktioniert. Für die additive Herstellung wird das Material-Pulver zunächst klassisch Schicht für Schicht aufgetragen und anschließend selektiv per Laser aufgeschmolzen. So entsteht in vielen einzelnen Schritten das jeweilige Bauteile inklusive der benötigten Kühlkanäle. Sie sind einen Millimeter breit und entsprechen der Kontur der Brennkammer. Anschließend werden Pulverreste aus den Kanälen herausgesaugt.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Immobilien Management Essen GmbH (IME)-Firmenlogo
(Senior) Projektkoordinator (m/w/d) Hochbau & Stadtentwicklung Immobilien Management Essen GmbH (IME)
intecplan integrierte technische Planung GmbH-Firmenlogo
Technischer Systemplaner / Technischer Zeichner (m/w/d) TGA intecplan integrierte technische Planung GmbH
Düsseldorf Zum Job 
AM Planungsgesellschaft für technische Gebäudeausrüstung mbH-Firmenlogo
Projektingenieur / Techniker Versorgungstechnik HLSK (m/w/d) AM Planungsgesellschaft für technische Gebäudeausrüstung mbH
Mannheim Zum Job 
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Fachbereichsleitung Energieanlagen (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
PERI Group-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Klettertechnik & Automation (m/w/d) PERI Group
Weißenhorn Zum Job 
Dürkopp Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Sales Manager (m/w/d) Sorting Solutions Steuerungstechnik Dürkopp Fördertechnik GmbH
Bielefeld Zum Job 
RheinNetz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur KRITIS-Sicherheitstechnik (m/w/d) RheinNetz GmbH
RheinNetz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur KRITIS-Gebäudetechnik (m/w/d) RheinNetz GmbH
EMKA Beschlagteile GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Produktentwickler / Konstrukteur (m/w/d) EMKA Beschlagteile GmbH & Co. KG
Wuppertal Zum Job 
ista SE-Firmenlogo
Projektingenieur - Technische Gebäudeausrüstung und Energiedienstleistungen (m/w/d) ista SE
Hamburg, Berlin, Düsseldorf, Köln, München Zum Job 
über Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Zweigniederlassungsleiter Großprojekte West (m/w/d) über Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Nordrhein-Westfalen Zum Job 
über Kienbaum Consultants International GmbH-Firmenlogo
Leitung (m|w|d) Hoch- und Ingenieurbau über Kienbaum Consultants International GmbH
Baden-Württemberg Zum Job 
intecplan integrierte technische Planung GmbH-Firmenlogo
Projektleiter:in (m/w/d) TGA intecplan integrierte technische Planung GmbH
Düsseldorf Zum Job 
BG ETEM-Firmenlogo
Dozent/in (m/w/d) in der Bildungsstätte Dresden BG ETEM
Dresden Zum Job 
BRAMM Bau GmbH-Firmenlogo
Bauingenieur - Tiefbau & Rohrvortrieb (m/w/d) BRAMM Bau GmbH
Vaihingen an der Enz Zum Job 
DFS Deutsche Flugsicherung GmbH-Firmenlogo
Architekt / Bauingenieur im Facility Management (w/m/d) DFS Deutsche Flugsicherung GmbH
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) Straßenbau Die Autobahn GmbH des Bundes
EMS-CHEMIE (Deutschland) GmbH-Firmenlogo
Produktionsleiter Kunststoffherstellung LFT (m/w/d) EMS-CHEMIE (Deutschland) GmbH
Groß-Umstadt Zum Job 
GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Städtische Hochbauprojekte GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH
TenneT-Firmenlogo
Network Engineer Kommunikationsnetze (m/w/d) TenneT

Additive Fertigung ermöglicht verschlungene Strukturen

So einfach das Verfahren klingt, umfassende Vorbereitungen waren nötig, ehe die Wissenschaftler mit der Herstellung des ersten Triebwerks starten konnten. Zunächst passten sie das Design so an, dass die additive Fertigung in Schichten überhaupt möglich war. Anschließend wählten sie das Material aus. Per Laser Powder Bed Fusion druckten sie das Triebwerk schließlich aus zwei Komponenten und verbesserten die Funktionsflächen durch eine gezielte Nachbearbeitung. Dann konnten sie die Bauteile zusammenfügen, wofür sie das Verfahren des Laserstrahlschweißens wählten. Eine Computertomografie (CT) half ihnen am Ende dabei, die neue Düse auf mögliche Fehler zu überprüfen. Die CT zeigt unter anderem an, ob alle Kühlkanäle frei sind oder ob sich noch Pulverrückstände in ihnen befinden. Nach Angabe der Forscher wäre es nicht möglich gewesen, die verschlungenen Strukturen des Kühlsystems auf konventionelle Weise zu fräsen oder zu gießen.

Der spannendste Moment stand den Forschern aber ohne Frage auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden bevor, wo sie den Prototypen des Aerospike-Triebwerks in Gang setzten. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 Sekunden.

„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.“

Lesen Sie mehr zum Thema Raumfahrt:

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.