Raketentriebwerk: Dank Metall-3D-Druck sicher ins All

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Das britische Unternehmen CEA konnte mithilfe einer Simulationssoftware von Ansys in weniger als 18 Monaten ein innovatives Aerospike-Raketentriebwerk entwickeln und herstellen. Das Besondere: CEA nutzte für die Herstellung den Metall-3D-Druck.

Raketentriebwerk aus dem 3D-Drucker: Bisher dachten die meisten Menschen beim Stichwort Raumfahrt an die NASA. Doch die Dinge entwickeln sich ständig weiter. Neue Assoziationen werden mit der Raumfahrt verbunden, zum Beispiel Namen wie Elon Musk, Jeff Bezos oder Richard Branson. Sie gehören zu den reichsten Menschen der Welt und haben mit ihren Weltraumvisionen bereits für Schlagzeilen gesorgt. Insgesamt nimmt die Kommerzialisierung der Raumfahrtindustrie rasant zu. Dies eröffnet Unternehmern eine neue Basis für Geschäftsmodelle. Für Menschen, die nicht zu den Superreichen gehören, liegt die Erforschung des Weltraums jedoch in weiter Ferne. Es sind Maßnahmen erforderlich, um den Zugang kostengünstiger und demokratischer zu gestalten. Neue Möglichkeiten ergeben sich beispielsweise durch den 3D-Druck von Raketenteilen.

Demokratisierung der Raumfahrt durch 3D-Druck

Ewan Craig, Gründer von Connect Everything Aerospace (CEA) in Großbritannien, ist ein überzeugter Weltraum-Evangelist, der in den ersten Monaten der Covid-19-Pandemie eine innovative Idee entwickelte, um den Weltraum durch den 3D-Druck von Raketentriebwerken zugänglicher zu machen. Unterstützt wurde er dabei durch das Start-up-Programm von Ansys.

Das ist nicht irgendeine Rakete: Das Design der Rakete stammt von Ingenieuren aus den 1960er Jahren. Sie hat eine einzigartige Konstruktion, die dafür sorgt, dass beim Aufstieg durch die Atmosphäre die maximale Schubkraft erreicht wird. Dabei sorgt sie selbstständig für den Druckausgleich und für eine optimale Abgasexpansion. Bisher wurde dieses Design noch nicht verwendet und die besonderen technischen Anforderungen erschweren die additive Fertigung, insbesondere bei größeren Stückzahlen.

Die traditionelle Herstellung von Raketentriebwerken ist zeitaufwändig und teuer. Die Metall-3D-Drucktechnologie hat das Potenzial, die Branche zu revolutionieren. Raketentriebwerke und ihre Technologie könnten einem breiteren Spektrum von Unternehmen und Privatpersonen zugänglich gemacht werden. Craig hofft, mit seiner innovativen Technologie die Weltraumforschung zu demokratisieren. Auch kleine Start-ups und Forschungsorganisationen sollen so eigene Missionen realisieren können.

Diese Vision ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. Raumfahrt und Weltraumforschung unterliegen strengen Vorschriften und Sicherheit ist – wie in den meisten Industrien – ein wichtiges Thema. Um sicherzustellen, dass die Technologie alle Sicherheitsstandards erfüllt, ist eine enge Zusammenarbeit mit den Aufsichtsbehörden erforderlich. Außerdem muss man viel Zeit und Ressourcen in Tests und Entwicklung investierten. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die Raketentriebwerke zuverlässig und effizient sind.

Trotz der Herausforderungen ist Craig optimistisch, was die Zukunft seines Unternehmens und der Raumfahrtindustrie insgesamt angeht. Das Projekt bietet große Chancen für Unternehmer in der Branche, insbesondere in den Bereichen Satellitenstarts und Raumtransport.

Raketenantrieb: Von der Skizze in den Weltraum

Bevor man einen Raketenantrieb überhaupt bauen kann, muss er richtig geplant werden. Ein Labyrinth aus Kanälen, Kühlmitteln, Strömungen und Oberflächen aller Art bildet die innere Struktur des Raketenmotors. Um die perfekte Form, das optimale Gewicht und Design zu entwerfen, ist eine Simulationssoftware mit individuellen Anpassungsmöglichkeiten ein unverzichtbares Werkzeug. Mit ihrer Hilfe ist eine exakte Planung mit geringem Budget möglich. Der Arbeitsaufwand wird dadurch keineswegs geringer, denn bevor es in den Metall-3D-Druck geht, muss ein erfolgversprechendes Design vorliegen. Allein schon aus Kosten- und Zeitgründen wäre es nicht vertretbar, mit unausgereiften Entwürfen in die Produktion zu gehen. Denn diese würden mit Sicherheit nicht im Weltraum, sondern auf dem Müll landen. Mit Hilfe von Simulationswerkzeugen lassen sich jedoch alle technischen Anforderungen berücksichtigen, vorab testen und das Design individuell gestalten. Zudem ist die Sicherheit und Genauigkeit der Daten gewährleistet.

Das Potenzial des 3D-Drucks: Raketentriebwerk ist erst der Anfang

Wenn das Design mit allen Berechnungen steht, ist die Herstellung das kleinste Problem. Moderne Metall-3D-Drucker ermöglichen die Reproduktion komplexester Modelle und bieten die Möglichkeit, eine große Anzahl identischer Teile zu produzieren. Ist das Design einmal optimiert, muss nur noch der 3D-Druck gestartet werden.

Auch wirtschaftlich sind Metall-3D-Drucker rentabel. Sie ermöglichen eine kostengünstige Produktion, mit weniger Arbeit und vor allem mit weniger qualifizierten Arbeitskräften als bei anderen Herstellungsverfahren. Damit ist die Metall-3D-Drucktechnologie gut geeignet für kleinere Unter­nehmen und Start-ups.

CEA (Connect Everything Aerospace) ist eines der kleinen Unternehmen, das sich dieser Herausforderung gestellt hat und sie mit Hilfe des Ansys Startup-Programms durch den Ansys Elite-Channel-Partner EDRMedesome bewältigen konnten. Dank der Simulationssoftware war CEA in der Lage, ein innovatives Raketentriebwerk entwickeln und herstellen zu können. Alles begann mit der Idee, die Technologie des Metall-3D-Drucks und der innovativen Aerospike-Düse zu vereinen, um ein optimiertes Triebwerk zu schaffen, das sowohl im Schub-Gewichts-Verhältnis als auch in der Herstellungszeit herkömmliche Triebwerke übertreffen kann. Das einteilige Raketentriebwerk verfügt über regenerative Kühlkanäle, eine Brennkammer und eine atmosphärenadaptive Aerospike-Düse. Durch den Einsatz des direkten Metall-Lasersinterns konnte CEA das komplette Raketentriebwerk in einem einzigen Bauteil drucken.

Das Projekt begann mit einem technologischen Interesse und endete mit einem innovativen Produkt, das die Raumfahrt­industrie revolutionieren könnte.

Die Autorin Susan Coleman ist Director, Academic and Startup Programs bei Ansys.

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