Innovatives Hybridtriebwerk 29.04.2024, 12:12 Uhr

Rakete startklar: Deutsches Start-up testet Kerzenwachs als Treibstoff

In wenigen Tagen startet die HyImpulse SR75 zu ihrem Jungfernflug ins All. Die Rakete ist nicht nur der erste kommerzielle deutsche Start ins All, sondern auch ein technisches Highlight. Einzigartig ist ihr Hybridtriebwerk, das flüssigen Sauerstoff und Paraffin als Treibstoff nutzt.

HyImpulse SR75

Hier war die HyImpulse SR75 noch im Hauptquartier in Neuenstadt, in wenigen Tagen geht es ins All.

Foto: HyImpulse

Die SR75 ist eine Rakete der baden-württembergischen Firma HyImpulse. Sie soll am 30. April oder bei schlechtem Wetter einige Tage später in Australien ihren Jungfernflug absolvieren. Das Startfenster ist bis zum 6. Mai geöffnet. Das Projekt ist in zweierlei Hinsicht einzigartig: Es ist nicht nur die erste deutsche kommerzielle Trägerrakete, auch der Antrieb mit Paraffin (Kerzenwachs) ist eine Besonderheit. HyImpulse mit Sitz in Neuenstadt am Kocher hat sich auf die Entwicklung von Mikroträgern spezialisiert. Diese kleinen Raketen sollen Satelliten kostengünstig in erdnahe Umlaufbahnen bringen. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und reichen von der Überwachung von Emissionen, Waldbränden und Erdbeben bis hin zu Wetterdaten, Navigation, Mobilfunksatelliten, Technologieentwicklung und wissenschaftlichen Studien.

Paraffin als Treibstoff: SR75 führt alte Ideen in die Zukunft

Die SR75, eine zwölf Meter hohe, einstufige Rakete, bringt bei einem Gewicht von 2,5 Tonnen bis zu 250 Kilogramm in eine maximale Höhe von 250 Kilometern. Der Testflug ist jedoch auf 60 Kilometer beschränkt. Diese Spezifikationen prädestinieren sie für eine Reihe von Anwendungen wie Mikrogravitationsexperimente, Atmosphärenphysik, Teleskopmissionen und den Einsatz als Booster für andere Fluggeräte, wie HyImpulse erklärt.

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Die SR75 ist jedoch nur ein technischer Vorbote. Ab nächstem Jahr will HyImpulse mit der SL1 eine kommerzielle, mehrstufige Orbitalrakete einsetzen. Mit einer Höhe von 32 Metern und einem Gewicht von 50 Tonnen soll sie zunächst Nutzlasten von bis zu 600 Kilogramm in Höhen von bis zu 500 Kilometern befördern. Zukünftige Versionen könnten sogar mehrere tausend Tonnen ins All befördern.

Im Mittelpunkt steht die Erprobung des innovativen Antriebs mit Paraffin als Treibstoff. Dieses Konzept ist zwar nicht neu – erste Versuche gab es bereits in den 1930er Jahren. Wegen der komplizierten Verbrennungsprozesse wurden sie jedoch wieder eingestellt. Erst in den 1990er Jahren wurde die Erforschung von Paraffin als Raketentreibstoff wieder aufgenommen. Der erfolgreiche Jungfernflug der SR75 wird nun zeigen, ob diese Technologie das Potenzial hat, Weltraummissionen zu revolutionieren.

Von der Universität zur Umlaufbahn

Mario Kobald ist ein Pionier, bereits seit 2006 als Student an der Universität Stuttgart arbeitet er an der Entwicklung eines Hybridantriebs auf Paraffinbasis. Im März 2018 gründete er mit drei Stuttgarter Kommilitonen das Unternehmen HyImpulse. Zunächst nutzten die Studenten Lachgas als Oxidator, doch ein erstes Experiment, das 2015 im Magazin des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt beschrieben wurde, scheiterte. Dennoch gelang dem Team bald der Durchbruch: Ihre HEROS-3-Rakete erreichte eine Höhe von 32 Kilometern und stellte damit einen neuen Weltrekord für Hybridraketen auf.

Das Antriebsprinzip ist relativ einfach. Paraffin wird in einem festen Zylinder angeordnet, ähnlich einer Kerze. In der Mitte des Zylinders wird ein Loch gebohrt, durch das flüssiger Sauerstoff strömt. Die Kombination wird entzündet und der Brennstoff verbrennt von innen nach außen. Die Details seinen das „Ergebnis unserer jahrelangen Arbeit und lassen sich auch nicht so leicht nachmachen „, sagte Kobald der „Rheinischen Post“. Sollte sich der Treibstoff bewähren, könnte das einen großen Fortschritt in der Raketentechnik bedeuten, denn Paraffin und flüssiger Sauerstoff bieten entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Treibstoffen.

Sicherheit und Sparsamkeit im Fokus

Ein großer Vorteil des von HyImpulse entwickelten Raketenantriebs ist sein Sicherheit. So kann die Rakete zum Beispiel nicht explodieren. So lässt sich eine bereits betankte Rakete gefahrlos zur Startrampe transportieren, wie HyImpulse berichtet. Außerdem ist der Treibstoff bei einem Absturz völlig ungiftig.

Der Sauerstoff verflüchtigt sich, während das Paraffin zu einer festen Masse erstarrt, die sich leicht bergen lässt, erklärt das Unternehmen in einer Pressemitteilung. Diese Eigenschaft vereinfacht die Bergungsarbeiten erheblich und senkt die Versicherungskosten für den Absturz deutlich. Diese machen normalerweise 10 bis 20 Prozent der Gesamtkosten eines Raumfahrtprojekts aus. Zudem ist der Antrieb weniger komplex, was die Baukosten der Rakete um rund 50 Prozent senkt.

Günstige Transportkosten

Während herkömmliche Kleinraketen Transportkosten von 12.500 bis 25.000 Euro pro Kilogramm verursachen, rechnet HyImpulse in der ersten Ausbaustufe seiner Rakete mit rund 6.500 Euro pro Kilogramm. Bei höheren Nutzlasten könnten die Kosten noch weiter sinken.

Ein weiterer Vorteil des Antriebs ist, dass er ohne aktive Kühlung auskommt. „Das Paraffin verbrennt schneller, als es die Wärme leitet“ , erklärt Mario Kobald gegenüber der Rheinischen Post. Dadurch isoliert es die Brennkammer und die Struktur durch Ablationskühlung selbst.

Das neue Raketentriebwerk im Test

Gebaut aus leichtem Kunststoff

Die Rakete besteht überwiegend aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), auch der Tank für den flüssigen Sauerstoff. Dies verbessert die Leistung, reduziert das Gewicht und senkt die Kosten. HyImpulse arbeitet mit Adamant Composites aus Griechenland zusammen. „Das einzigartige Design aus Vollverbundwerkstoffen ermöglicht 30 Prozent Masseneinsparungen, während der robotergestützte Produktionsprozess die Zykluszeit um 50 Prozent und die Kosten um 25 Prozent reduziert“, sagt Antonios Vavouliotis, Geschäftsführer von Adamant Composites.

Darüber hinaus soll eine gebrauchte HyImpulse-Rakete mit einem Fallschirmsystem sicher zur Erde zurückkehren und wiederverwendet werden. Das spart Kosten und unterstützt das Ziel, den Raketenbetrieb so umweltfreundlich wie möglich zu gestalten. Selbst das aus Erdöl gewonnene Paraffin soll nachhaltig aus „eingefangenem“ CO2 mit erneuerbaren Energien synthetisiert werden, um letztlich CO2-neutrale Missionen zu ermöglichen.

Neue Perspektiven für Kleinsatelliten

Beim Raketenstart in den nächsten Tagen soll vor allem das Raketentriebwerk getestet werden. Laut Co-CEO und Mitbegründer Christian Schmierer soll die Rakete jedoch ein verbessertes Angebot für Kleinsatelliten schaffen. „Bisher gibt es vor allem Raketen auf dem Markt, die man sich wie Busse oder Züge vorstellen kann. Sie laden die Satelliten nur an bestimmten Orten im Orbit ab – wie an einer Haltestelle. Unsere Rakete ist eher wie ein Taxi“, erklärt Schmierer.

Dank des Hybridantriebs, der sowohl feste als auch flüssige Treibstoffe verwendet, sind die Raketen kostengünstiger, weil sie weniger Bauteile benötigen. Weitere Starts sind bereits geplant, sagt der 36-Jährige. Die Rakete ist das erste Produkt von HyImpulse. Wie bereits erwähnt, entwickelt das Unternehmen auch eine zweite, größere Rakete, die eine höhere Kapazität haben wird. Sie soll in eineinhalb Jahren Satelliten ins All befördern.

Wie ist der Raketenstart im internationalen Vergleich zu bewerten?

Auch wenn der bevorstehende Raketenstart nicht im Fokus der Weltöffentlichkeit stehe, sei er für Deutschland ein wichtiges Ereignis, so Raumfahrtexperte Martin Tajmar von der TU Dresden gegenüber der Deutschen Presseagentur. Obwohl es sich um einen Nischenmarkt handelt, ist dieser Start für Europa besonders wichtig, da es derzeit kein vergleichbares Angebot gibt, erläutert Tajmar weiter. Europäische Raketen, vor allem von Arianespace, waren bisher führend im Satellitentransport, aber derzeit steht keine Ariane-Trägerrakete zur Verfügung.

Elon Musk dominiert mit seinen Raketen in diesem Jahr rund 90 Prozent aller weltweiten Raketenstarts, gefolgt von China, so Tajmar weiter. Der Rest der Welt teilt sich die restlichen Starts. In China gibt es viele private Start-ups, die bereits Missionen ins All durchgeführt haben, fügt er hinzu.

Der SpaceX-Gründer hat die Messlatte hoch gelegt. „Da schauen alle nur ehrfürchtig zu und die Chinesen versuchen es zu kopieren“, sagt Tajmar. Abgesehen von Musk, der mit einer kleinen Rakete begann und schnell zu größeren, wiederverwendbaren Modellen überging, tut sich in der Branche derzeit wenig. „Man muss irgendwo anfangen“, sagt Tajmar mit Blick auf die deutschen Start-ups, die noch in den Kinderschuhen stecken.

Automobilindustrie als Kunde für das Satelliten-Taxi

Christian Schmierer betont, dass zu den möglichen Kunden von HyImpulse auch die Automobilindustrie gehört, die Satelliten für Navigation und autonomes Fahren benötigt. „Wir wollen den Markt nicht kampflos China und den USA überlassen. „Wir brauchen auch als Europäer Unabhängigkeit von den Amerikanern, auch wenn sie unsere Partner sind“, betont Schmierer.

Auch der ehemalige Astronaut Ulrich Walter sieht großes Potenzial für private Hersteller kleinerer Raketen. Die Satelliten würden immer kleiner, was die neuen Anbieter von Kleinraketen begünstige, da sie flexibler seien als die großen Raketenhersteller. Bei letzteren müsse ein Startplatz oft zwei Jahre im Voraus reserviert werden. Der Markt für Raumfahrttechnik werde stark wachsen, prognostiziert Professor für Raumfahrttechnik an der TU München. Die Ansätze der Start-ups hält er deshalb für zukunftsträchtig.

Bereits Ende der 70er Jahre hatte die deutsche Firma Otrag (Orbital Transport- und Raketen Aktiengesellschaft) eine private Rakete entwickelt, die als kostengünstige Alternative dienen sollte. Das Unternehmen führte einige Raketentests in Afrika durch. „Nach heutigem Sprachgebrauch würde man Otrag als Start-up bezeichnen“, sagt Walter. In den 1980er Jahren ging das Unternehmen jedoch in Konkurs.

Weitere deutsche Unternehmen stehen in den Startlöchern

HyImpulse ist nur eines von mehreren Start-ups in Deutschland, die sich der Entwicklung so genannter Microlauncher verschrieben haben. Im Nachbarbundesland Bayern konkurrieren zwei weitere Unternehmen: Rocket Factory aus Augsburg und Isar Aerospace bei München. Alle drei Unternehmen, die in den letzten Jahren gegründet wurden, entwickeln Trägerraketen für den Transport von Satelliten ins All und planen in Kürze erste Testflüge.

Trotz des großen Marktes wird es laut Walter nicht für viele deutsche Anbieter reichen. Welches Start-up sich am Ende durchsetzt, bleibt abzuwarten. (mit Material der dpa)

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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