Raketentanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nachweislich möglich

Aufbauend auf früheren Studien hat die MT-Aerospace AG in Deutschland ein neuartiges Design eines Tanks in kleinem Maßstab aus einem einzigartigen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) vorgestellt, der nicht nur mit flüssigem Wasserstoff dicht ist, sondern der zudem mit flüssigem Sauerstoff kompatibel ist, ohne dass eine Metallauskleidung verwendet wird.

Ein Tank, der ausschließlich aus CFK besteht, ist viel leichter als Metall, benötigt weniger Teile und ist daher schneller und kostengünstiger zu fertigen.

Dies ist ein Meilenstein, denn normalerweise erfordert die Lagerung von kryogenen Treibstoffen wie diesen, die auf -253 ˚C gekühlt werden, Tanks mit metallischen Auskleidungen, um sie leckdicht zu gestalten, mit oder ohne Verbundstoffumhüllung.

„Kraftstofftanks sind sicherheitskritische Elemente in jedem Antriebssystem“, erklärte Hans Steininger, Vorstandsvorsitzender der MT Aerospace AG. „Wir haben den Nachweis erbracht, dass ein Hochleistungsdruckbehälter aus CFK kryogener Belastung standhält. In Zukunft soll der Einsatz von CFK-Hochleistungstanks nicht nur sichere Raketenstarts ermöglichen, sondern auch den Vorteil einer deutlich geringeren Masse im Vergleich zu metallischen Tanks nutzen können.“

„Dies ist ein enormer Schritt nach vorn. Wir haben einen sehr spezifischen Kohlenstoffverbundwerkstoff und ein Verarbeitungsverfahren gefunden, mit dem wir neue Architekturen und Funktionskombinationen für Raketenoberstufen in Betracht ziehen können, die mit Metall nicht möglich sind“, fügte Kate Underhill, Projektleiterin für Oberstufen- und Antriebsdemonstratoren im Future Launchers Preparatory Programme der ESA, hinzu.

„Metall ist leckdicht. Um die gleiche Eigenschaft mit Kohlefaserverbundstoff nachzubilden, war ein komplexes Geflecht aus schwarzen Kohlefasern und einem speziellen Harz erforderlich. Das Material hielt kryogenen Temperaturen, Druckzyklen und reaktiven Substanzen in einer Reihe von separaten Tests stand.“

Im Anschluss an diese „Flaschen“-Tests werden demnächst Tankdemonstratoren in kleinem Maßstab mit integriertem Wärmeschutz für weitere Tests gebaut. Die gesammelten Daten dienen der Entwicklung eines Demonstrators für eine zukünftige hochoptimierte Oberstufe in Realgröße, genannt Phoebus. 

Phoebus wird über Wasserstoff- und Sauerstofftanks mit einem Durchmesser von 3,5 m, einem Wärmeschutz und Strukturbaugruppenelementen verfügen und neue Technologien in den Bereichen Avionik, Strukturen und Antriebsausrüstung umfassen. CFK wird in den Tanks, in der Grenzflächenstruktur zwischen den beiden Tanks und im Außenzylinder, der die Außenhaut der Oberstufe darstellt, eingesetzt.

Der Phoebus-Demonstrator wird im Jahr 2023 mit kryogenen Flüssigkeiten getestet, um die Funktionsfähigkeit der Technologien und neue kosteneffiziente Produktionsverfahren im Rahmen eines neuen Vertrags zu bestätigen, der die Entwicklung von hochoptimierten Oberstufen vorantreibt.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Unterstützung der ESA für ausgereifte Spitzentechnologien zu großen Durchbrüchen führt. Dieses neue, leichte Material auf Kohlenstoffbasis würde die Herstellung einer um zwei Tonnen leichteren Oberstufe der Ariane 6 ermöglichen - und damit zusätzliche Nutzlast bereitstellen,“ sagte Daniel Neuenschwander, ESA-Direktor für Raumtransport.

Das Phoebus-Projekt ist eine gemeinsame Initiative der MT Aerospace AG und der ArianeGroup in Deutschland zur Validierung von Schlüsseltechnologien, die mit Unterstützung der ESA seit Mai 2019 entwickelt werden