„Selbstfressende“ Rakete könnte Großbritannien dabei helfen, einen großen Teil der Raumfahrtindustrie zu erobern

Neue Entwicklungen an einem fast hundert Jahre alten Konzept für einen „selbstfressenden“ Raketentriebwerk, das über die Erdatmosphäre hinaus fliegen kann, könnten Großbritannien dabei helfen, einen größeren Anteil an der Raumfahrtindustrie zu erobern.

Ingenieure der Universität Glasgow haben das erste nicht unterstützte Autophagen-Raketentriebwerk gebaut und abgefeuert, das Teile seines eigenen Körpers als Treibstoff verbraucht. Das Design des Autophage-Motors – der Name kommt vom lateinischen Wort für „selbstfressend“ – bietet mehrere potenzielle Vorteile gegenüber herkömmlichen Raketendesigns.

Der Motor nutzt die Abwärme der Verbrennung, um beim Zünden nacheinander seinen eigenen Kunststoffrumpf zu schmelzen. Der geschmolzene Kunststoff wird als zusätzlicher Treibstoff in die Brennkammer des Triebwerks eingespeist und verbrennt dort neben den regulären Flüssigtreibstoffen.

Dies bedeutet, dass ein Autophage-Fahrzeug weniger Treibstoff in Bordtanks benötigen würde und die freiwerdende Masse stattdessen der Nutzlast zugewiesen werden könnte. Der Verbrauch des Rumpfes könnte auch dazu beitragen, das Problem des Weltraummülls nicht noch weiter zu verschärfen – entsorgter Müll, der die Erde umkreist und zukünftige Missionen behindern könnte.

Insgesamt könnte die höhere Effizienz dazu beitragen, dass Autophage-Raketen im Vergleich zu einer herkömmlichen Rakete gleicher Masse eine größere Nutzlast in den Weltraum befördern. Sie könnten beispielsweise winzige „Nanosatelliten“ direkt ins All bringen, ohne den Platz auf teureren konventionell betriebenen Raketen teilen zu müssen.

Das Konzept eines selbstfressenden Raketentriebwerks wurde erstmals 1938 vorgeschlagen und patentiert. Allerdings wurden keine Autophagen-Triebwerkskonstruktionen auf kontrollierte Weise abgefeuert, bis eine Forschungspartnerschaft zwischen der Universität Glasgow und der Dnipro-Nationaluniversität in der Ukraine diesen Meilenstein im Jahr 2018 erreichte.

Jetzt haben die Glasgower Ingenieure gezeigt, dass energiereichere Flüssigtreibstoffe verwendet werden können und dass der Kunststoffrumpf den Kräften standhält, die für die Einspeisung in das Triebwerk erforderlich sind, ohne zu knicken. Dies sind wesentliche Schritte zur Entwicklung eines tragfähigen Flugkonzepts.

Die Mannschaften Papiermit dem Titel „Investigation of the Operating Parameters and Performance of an Autophage, Hybrid Rocket Propulsion System“ wurde am Mittwoch, dem 10. Januar, auf dem AIAA SciTech Forum in Orlando, Florida, vorgestellt.

In der Arbeit beschreibt das Team, wie es sein Ouroborous-3-Autophage-Triebwerk erfolgreich testete und in einer Reihe kontrollierter Experimente einen Schub von 100 Newton erzeugte. Die Testbrände wurden in der MachLab-Einrichtung auf dem Luftwaffenstützpunkt Machrihanish durchgeführt.

Die Ouroborous-3 verwendet Kunststoffrohre aus hochdichtem Polyethylen als autophagische Treibstoffquelle und verbrennt diese zusammen mit den Haupttreibstoffen der Rakete – einer Mischung aus gasförmigem Sauerstoff und flüssigem Propan.

Die Tests zeigten, dass die Ourobourous-3 während der gesamten Autophage-Phase zu einer stabilen Verbrennung fähig ist – eine wichtige Voraussetzung für jeden Raketentriebwerk –, wobei der Kunststoffrumpf bis zu einem Fünftel des insgesamt verwendeten Treibstoffs liefert.

Die Tests zeigten auch, dass die Verbrennung der Rakete erfolgreich kontrolliert werden konnte, wobei das Team seine Fähigkeit unter Beweis stellte, gedrosselt, neu gestartet und in einem Ein-/Aus-Muster gepulst zu werden. All diese Fähigkeiten könnten künftigen Autophagenraketen dabei helfen, ihren Aufstieg von der Startrampe in die Umlaufbahn zu kontrollieren.

Professor Patrick Harkness von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow leitete die Entwicklung des Ourouboros-3-Autophagen-Motors. Er sagte: „Diese Ergebnisse sind ein grundlegender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines voll funktionsfähigen Autophage-Raketentriebwerks. Diese zukünftigen Raketen könnten eine breite Palette von Anwendungen haben, die dazu beitragen würden, die Ambitionen Großbritanniens, sich zu einem wichtigen Akteur in der Raumfahrtindustrie zu entwickeln, voranzutreiben.“ .

„Die Struktur einer herkömmlichen Rakete macht zwischen 5 % und 12 % ihrer Gesamtmasse aus. Unsere Tests zeigen, dass die Ouroborous-3 eine sehr ähnliche Menge ihrer eigenen Strukturmasse als Treibstoff verbrennen kann. Wenn wir zumindest einen Teil dieser Masse herstellen könnten.“ Stattdessen wäre es eine überzeugende Perspektive für zukünftige Raketendesigns, da es für die Nutzlast verfügbar wäre.“

Korrespondierender Autor des Artikels ist der Postgraduiertenforscher Krzysztof Bzdyk von der James Watt School of Engineering. Er sagte: „Um dieses Stadium zu erreichen, mussten viele technische Herausforderungen bewältigt werden, aber wir sind von der Leistung des Ourouboros-3 im Labor begeistert.“

„Von hier aus werden wir anfangen zu prüfen, wie wir Autophagen-Antriebssysteme vergrößern können, um den zusätzlichen Schub zu unterstützen, der erforderlich ist, damit das Design als Rakete funktioniert.“

Die Autophage-Engine ist eines von 23 Weltraumtechnologieprojekten, die kürzlich für einen Anteil von 4 Millionen Pfund von der UK Space Agency und STFC ausgewählt wurden. Das Glasgower Team erhielt 290.000 £, um bei der Einrichtung weiterer Pilottests des Prototypmotors zu helfen.

Dr. Paul Bate, CEO der UK Space Agency, sagte: „Eine der wichtigsten Möglichkeiten, wie wir Investitionen in den wachsenden Raumfahrtsektor des Vereinigten Königreichs katalysieren, ist die Förderung von Innovationen in aufstrebenden Bereichen der Raumfahrttechnologie. Die beeindruckende Arbeit der Universität Glasgow an einem Autophagen-Motor.“ ist ein Beispiel dafür, dass es großes Potenzial hat, den wachsenden weltweiten Bedarf an Entwicklungen in der Effizienz und Nachhaltigkeit von Raketenantrieben zu befriedigen.“

Jack Tufft, ein Postgraduiertenforscher an der James Watt School of Engineering, ist Mitautor des Artikels. Er sagte: „Wir sind vom Potenzial des Ouroboros-3 wirklich begeistert, und diese weitere Finanzierung wird uns dabei helfen, die Erforschung neuer Entwicklungen und Verfeinerungen unseres Designs voranzutreiben. Unser Ziel ist es, die Autophage-Engine einem Teststart näher zu bringen.“ , was uns bei der Entwicklung unseres Designs für zukünftige Generationen von Autophagenraketen helfen wird.“