Es ist schwierig, Dinge in den Weltraum zu bringen. Abgesehen von den Motoren und der Software, den Orbitalberechnungen und der Startrampe sind die Tanks, die den Treibstoff enthalten, ein Meisterwerk der Ingenieurskunst. Und die ESA wird bald die nächste Generation von Raketenpanzern testen – Phoebus.
Bedenken Sie Folgendes: Europäische Raketen werden oft mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff betrieben, das sind großartige Treibstoffe, aber in flüssiger Form müssen sie bei extremen Temperaturen unter -200 °C gehalten werden. Raketentanks müssen diese unterkühlten Flüssigkeiten kühl halten und gleichzeitig so wenig wie möglich wiegen.
Wasserstoff bringt noch einige andere Komplikationen mit sich, da er das kleinste Molekül im Universum ist und kleine Dinge schwer in Schach zu halten sind. Daher muss ein Wasserstofftank einer der lecksichersten Behälter sein, die Menschen herstellen können. Da Wasserstoffgas außerdem sehr leicht ist, sind große Volumina erforderlich, um relativ kleine Gasmengen zu speichern, was wiederum die Aufgabe erschwert, die Tanks leicht zu halten. Die in flüssiger Form gelagerten Kraftstofftanks stehen unter Druck, um sicherzustellen, dass der Kraftstoff den Motor mit dem richtigen Druck und der richtigen Temperatur erreicht. Daher müssen die Tanks nicht nur dicht und isolierend, sondern auch robust sein.
Flüssiger Sauerstoff hat eine zusätzliche Eigenschaft, die die Lagerung erschwert: Er ist hochreaktiv und korrodiert viele Materialien schnell. Den richtigen Panzer für eine Rakete zu entwerfen und zu bauen, ist keine leichte Aufgabe und wird beim Start noch komplizierter. Beim Zünden und Abheben eines Raketentriebwerks wird die Rakete einem starken Druck ausgesetzt, der jede Komponente zusammendrückt und schüttelt, und die Treibstofftanks sind am schlimmsten davon betroffen, da sie Flüssigkeiten enthalten, die im Inneren herumschwappen.
Carbon-Kunststoff fantastisch
Das Phoebus-Projekt der ESA untersucht kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff für die nächste Generation von Raketentreibstofftanks. Kohlenstofffasermaterialien haben die Welt im Sturm erobert, da sie extrem leicht und stabil sind, konnten aber aufgrund ihrer Reaktivität bisher nicht ausreichend dicht für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff hergestellt werden. Europäische Teams bei ESA, MT Aerospace und ArianeGroup haben diese beiden Einschränkungen nun durch den Einsatz neuer Fertigungstechnologien sowie modernster Designmethoden und einer Feinabstimmung der Kunststoffchemie überwunden.
Phoebus ist ein Demonstrator für Kraftstofftanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der von Grund auf schichtweise aufgebaut wird. Diese Technik und das innovative Design ermöglichen es den Ingenieuren, eine einzigartige Form zu konstruieren, die den Kraftstofftank in einem Tragrahmen aufhängt, mit einem isolierenden Luftspalt dazwischen, und so viele der oben genannten Probleme auf einen Schlag lösen. Ein Schlüsselelement des Phoebus-Projekts, das leicht, stabil, dicht und reaktiv ist, hat letzte Woche seine Testbereitschaftsprüfung bestanden und erhielt grünes Licht für die Tests, bei denen ein Modellsauerstoff mit einem Durchmesser von 2 m zum Einsatz kam Der Panzer wird so getestet, als ob er wirklich fliegen würde. Ein Wasserstofftank in ähnlichem Maßstab wird nächstes Jahr getestet, bevor im Jahr 2025 ein vollständiger Strukturdemonstrator einer vollständigen Oberstufe getestet wird.
„Die Physik, Chemie und Konstruktionstechniken hinter diesem Projekt sind umwerfend“, sagt Kate Underhill, leitende Ingenieurin der ESA bei dem Projekt. „Als wir Phoebus starteten, waren die Risiken hoch und die Tatsache, dass das Projekt dieses Stadium erreicht hat, ist dem großen Engagement und Know-how der Teams bei ESA, MT Aerospace und ArianeGroup zu verdanken, die als Einheit zusammenarbeiten.“
Schieben und Ziehen
Der erste Testschritt ist die Druckbeaufschlagung mit Stickstoff und anschließend mit Helium – einem Gas, mit dem festgestellt werden kann, ob im Tank Lecks vorhanden sind.
Wenn Phoebus diesen Test besteht, wird der nächste Schritt ein Test mit Sauerstoff sein. „Wir werden Phoebus zu einem militärischen Testgelände von Rheinmetall in Unterlüß, Deutschland, verlegen“, sagt Kate, „wir können dort testen, weil sie an den Umgang mit Explosionen gewöhnt sind …“ Wenn bei der Arbeit mit flüssigem Sauerstoff etwas schief geht, geht es sehr schnell schief!“
Die abschließenden Tests werden die „härtesten“ Tests für den Panzer sein, bei denen er buchstäblich gezogen und geschoben wird, um die Belastungen eines Raketenstarts bei MT Aerospace in Augsburg, Deutschland, zu simulieren. Der Tank wird während dieses Tests mit Stickstoff gefüllt und unter Druck gesetzt, um seinen Zustand während des Fluges vollständig zu simulieren.