Die NASA hat vor kurzem eine additiv gefertigte, bzw. 3D-gedruckte Raketentriebwerksdüse aus Aluminium gebaut und erfolgreich getestet. Die Düse ist leichter als herkömmliche Düsen und stellt damit die Weichen für Weltraumflüge, die mehr Nutzlast tragen können. Dank der neuartigen Aluminiumkomponenten soll es zukünftig möglich werden, mehr Fracht ins All zu bringen – beispielsweise für Reisen zu Mond oder Mars.
NASA Innovation: Mit Aluminium zu Mond und Mars
Innovative Raketendüse der NASA ebnet den Weg für Deep Space-Missionen
09. November 2023
Düsseldorf
Weniger ist mehr: Leichtere Raketen für mehr Fracht
Die Ziele der NASA, den Mond und den Mars zu bereisen, erfordern die Möglichkeit mehr Fracht mit ins All befördern zu können. Dabei könnte die neue Innovation eine entscheidende Rolle spielen, schließlich ermöglicht sie die Herstellung leichterer Raketenkomponenten, die gleichzeitig hohen strukturellen Belastungen standhalten.
Im Rahmen der „Announcement of Collaborative Opportunity“ haben sich Ingenieure des Marshall Space Flight Center der NASA in Alabama mit den Experten des Unternehmens Elementum 3D zusammengetan, um eine schweißbare Aluminiumsorte zu entwickeln, die hitzebeständig genug für den Einsatz in Raketentriebwerken ist. Im Vergleich zu anderen Metallen hat Aluminium eine geringere Dichte und ermöglicht hochfeste, leichte Komponenten. Die neuartige schweißbare Sorte ist die neueste Entwicklung der NASA im Rahmen des Projekts RAMFIRE (Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution).
Projekt RAMFIRE: "Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution"
Das RAMFIRE-Projekt wird vom Space Technology Mission Directorate (STMD) der NASA finanziert und konzentriert sich auf die Entwicklung leichter, additiv gefertigter Raketendüsen aus Aluminium. Diese Düsen sind mit kleinen internen Kanälen ausgestattet, die sie so kühl halten, dass sie nicht schmelzen. Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren können für eine Düse bis zu tausend Einzelteile erforderlich sein, die RAMFIRE-Düse dagegen wird lediglich aus einem einzigen Stück gefertigt, wodurch weitaus weniger Verbindungen erforderlich sind und die Herstellungszeit erheblich verkürzt wird.
Im Laufe diesen Sommers haben bereits zwei RAMFIRE-Düsen auf dem Testgelände von Marshall mehrere Heißbrandtests mit Flüssigsauerstoff und Flüssigwasserstoff sowie mit Flüssigsauerstoff- und Flüssigmethan-Treibstoffkonfigurationen durchlaufen. Mit Druckkammern von mehr als 825 Pfund pro Quadratzoll (psi) – mehr als die erwarteten Testdrücke – erreichten die Düsen 22 Starts und 579 Sekunden Laufzeit, das sind fast zehn Minuten. Dieses Ereignis zeigt, dass die Düsen auch unter den anspruchsvollsten Bedingungen im Weltraum funktionieren können.
Die RAMFIRE-Düse führt einen Heißbrandtest auf dem Testgelände von Marshall East durch. Die Düse, die aus der neuartigen Aluminiumlegierung 6061-RAM2 besteht, ist enormen Temperaturgradienten ausgesetzt. Wenn sich heiße Gase 6000 Grad Celsius nähern und verbrennen, bilden sich Eiszapfen an der Außenseite der Triebwerksdüse.
© NASA
Neuartige Aluminiumvariante A6061-RAM2
Im Rahmen des RAMFIRE-Projektes haben die NASA und Elementum 3D zunächst die neuartige Aluminiumvariante A6061-RAM2 entwickelt, um die Düse zu bauen und das mit der LP-DED-Technologie (Laser Powder Directed Energy Deposition) verwendete Pulver zu modifizieren. Ein weiterer kommerzieller Partner, RPM Innovations (RPMI) verwendete das neu erfundene Aluminium und das spezielle Pulver, um die RAMFIRE-Düsen mit ihrem LP-DED-Verfahren herzustellen. Neben dem Bau und der Erprobung der Raketentriebwerksdüsen wurden der RAMFIRE-Aluminiumwerkstoff und das additive Fertigungsverfahren auch für die Konstruktion anderer fortschrittlicher Großkomponenten zu Demonstrationszwecken eingesetzt. Dazu gehören eine Aerospike-Düse mit einem Durchmesser von 36 Zoll und komplexen integrierten Kühlkanälen sowie ein vakuumummantelter Tank für kryogene Flüssigkeitsanwendungen.
Die NASA und ihre Partner aus der Industrie arbeiten außerdem bereits daran, die Daten und das Verfahren mit kommerziellen Interessengruppen und der Wissenschaft zu teilen. Verschiedene Luft- und Raumfahrtunternehmen evaluieren die neuartige Legierung und das LP-DED-Verfahren zur additiven Fertigung und suchen nach Möglichkeiten, wie sie für die Herstellung von Komponenten für Satelliten und andere Anwendungen eingesetzt werden können.
Der hier im Marshall Space Flight Center in Alabama gezeigte Demonstrationstank für die Herstellung eines Vakuummantels wurde aus demselben 6061-RAM2-Aluminiumwerkstoff entwickelt, der auch im Rahmen des RAMFIRE-Projekts verwendet wird. Das Bauteil, das für die Verwendung mit kryogenen Flüssigkeiten vorgesehen ist, verfügt über eine Reihe integrierter Kühlkanäle mit einer Wandstärke von etwa 0,06 Zoll.
© NASA