Additive Fertigung für die "neue" europäische Raumfahrt

Ursprünglich traten die Nationen gegeneinander an, um als erste die Atmosphäre zu verlassen, als erste auf dem Mond zu landen, usw. Doch mit New Space beginnen diese nationalen Zuordnungen zu verschwinden. Die Raumfahrtindustrie wird nicht mehr nur von staatlichen Institutionen betrieben wird, sondern Wirtschaftsunternehmen zunehmend Fachwissen, Pioniergeist und Risikokapital und Ambitionen ein. Viele technische Durchbrüche treiben die neue Raumfahrt an, darunter fortschrittliche Fertigungstechnologien, die Miniaturisierung von Satelliten und ihren Komponenten, wiederverwendbare Startsysteme, laserbasierte Kommunikationsgeräte, laserbasierte Zündung und künstliche Intelligenz.

Insgesamt verfügt Europa über eine der fortschrittlichsten Raumfahrtinfrastrukturen, und viele staatliche und private Unternehmen tragen zum Fortschritt der Raumfahrtindustrie bei. Das ist nicht weiter verwunderlich, denn die industrielle, wissenschaftliche und akademische Exzellenz dieser Länder hat die Grenzen der Technologie seit Jahrzehnten immer weiter verschoben. Da viele dieser Entwicklungen - wie z. B. die additive Fertigung - eine direkte und äußerst vorteilhafte Anwendung in der Weltraumforschung finden und Europa über eine so lange Geschichte in der Weltraumforschung und eine entsprechende Infrastruktur verfügt, ist es ein logischer Schritt, sich eine Schlüsselrolle in der New-Space-Industrie und ihrer Zukunft zu sichern. 

Der europäische - und insbesondere der deutsche - Markt für New Space wächst. Der Ehrgeiz und Enthusiasmus der NewSpace-Industrie, der durch den visionären Unternehmergeist junger Startups entfacht wurde, hat in den letzten Jahren auch Europa erreicht. Es gab mehrere sehr solide Unternehmen wie Isar Aerospace, HyImpulse und Rocket Factory in Deutschland, Orbex und Skyrora in Großbritannien sowie PLD Space und Pangea Aerospace in Spanien. 

EOS hat weltweit mit Raumfahrtunternehmen und Start-ups zusammengearbeitet, sowohl als Partner für die Erbringung von Konzeptnachweisen ("proof of concept") als auch als Anbieter von zuverlässigen Serienlösungen, einschließlich der Anpassung der additiven Fertigung an die spezifischen Bedürfnisse der Branche. Der zentrale Beitrag von EOS besteht darin, den Zugang der New-Space-Akteure zu den Fertigungstechnologien zu verbessern, die sie benötigen, um ihre ehrgeizigen Konzepte schnell, zuverlässig und kosteneffizient zu realisieren.

Dieser für New Space typische Unternehmergeist wurde auch von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) über ESA Space Solutions gefördert, welche aus einem Netzwerk zahlreicher BICs (Business Incubation Centers) in ganz Europa bestehen. Im Folgenden finden Sie zwei Beispiele für New Space Organisationen und Projekte, die derzeit in Europa florieren und bei denen die additive Fertigung einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung geleistet hat:

Die Ariane-Gruppe, das französische Nationale Zentrum für Weltraumstudien (CNES) und die ESA arbeiten gemeinsam an dem Projekt PROMETHEUS und einer Reihe neuer Flüssigkeitsraketentriebwerke, bei deren Entwicklung niedrige Kosten, Flexibilität und Wiederverwendbarkeit im Mittelpunkt stehen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung, Herstellung und Erprobung eines fortschrittlichen Triebwerks der 100-Tonnen-Klasse mit flüssigem Sauerstoff (LOx) und Methan (LCH4). Dieses Triebwerk soll wiederverwendbar sein, um Kosten und Umweltauswirkungen zu reduzieren. Außerdem soll es flexibel einsetzbar sein, mit variablem Schub und mehreren Zündeinstellungen, um eine umfassendere Nutzung für verschiedene Startarten zu ermöglichen.

Bisher wurden nur wenige Raketentriebwerksteile, die eine funktionale und strukturelle Hauptrolle spielen, mit Hilfe der additiven Fertigung hergestellt. Das PROMETHEUS-Projekt ändert dies, indem es die Designflexibilität und die verkürzte Produktionszeit ausnutzt. Bis zu 70% des Triebwerksgewichts werden im Rahmen des PROMETHEUS-Projekts mit additiver Fertigung hergestellt. Das angestrebte Ergebnis ist die Optimierung von Prozessen, die eine schnelle Produktion von kostengünstigen Triebwerkskomponenten fördern, während gleichzeitig die Anzahl der Teile reduziert, die Produktion beschleunigt und der Ausschuss verringert wird. Ein gutes Beispiel dafür, wie die additive Fertigung die Komponenten in diesem Projekt weiterentwickelt, ist die Ariane-Turbopumpe mit einer Welle, die speziell für die PROMETHEUS-Triebwerke entwickelt  wurde. Diese Bemühungen werden zu einer massiven Verringerung der Kosten und der Komplexität von Starts führen und damit die europäische Raumfahrtindustrie international wettbewerbsfähiger machen.

Eine Erfolgsgeschichte, die aus dem ESA BIC Bavaria hervorgegangen sind, ist die in München ansässige Isar Aerospace Technologies GmbH, benannt nach dem Fluss Isar, der durch München fließt.  

Isar Aerospace arbeitet daran, den Zugang zum Weltraum für kleine und mittlere Satelliten sowie für Satellitenkonstellationen flexibler und erschwinglicher zu machen. Die Spectrum-Trägerrakete von ISAR wurde vollständig im eigenen Haus entwickelt, wobei eine Kombination aus fortschrittlichen Materialien und Technologien zum Einsatz kommt. Eines der Ziele von ISAR ist es, die Emissionen von Raketenstarts drastisch zu senken, indem herkömmliche Raketentreibstoffe durch Kohlenwasserstoffmischungen ersetzt werden. Zu diesem Zweck will ISAR das erste LOX/Kohlenwasserstoff-Hochleistungstriebwerk als Alternative zu Triebwerken mit toxischen Treibstoffen bauen. Isar Aerospace testet derzeit die erste seiner Raketen und plant deren Start im Jahr 2023. 

Die additive Fertigung hat bei Isar Aerospace eine zentrale Rolle bei der erfolgreichen Entwicklung der Spectrum-Trägerrakete und des Triebwerks gespielt, woran EOS direkt beteiligt war. Als die Anforderungen des Unternehmens an die additive Fertigung über das hinausgingen, was mit "Standard"-Maschinen erreicht werden konnte, ging Isar Aerospace eine Partnerschaft mit EOS und AMCM ein, um mit einer maßgeschneiderten Maschine die Grenzen des Machbaren zu erweitern. Für Isar Aerospace bietet die additive Fertigung die Entwicklung komplexer Geometrien, mit denen die ehrgeizigen Leistungsziele schnell erreicht werden können, die Einhaltung anspruchsvoller Fristen während des gesamten Prototyping- und Fertigungsprozesses sowie die Sicherstellung eines höheren Liefervolumens von Teilen während des Hochlaufs.

Die additive Fertigung hat sich direkt auf die Reduzierung der Komplexitätskosten in der Raumfahrtindustrie ausgewirkt, indem sie die schwersten, komplexesten und teuersten Teile, die eine lange Vorlaufzeit erfordern, wie die Schubkammerbaugruppe, optimiert hat. Dies erforderte eine anwendungsspezifische System- und Prozessanpassung, die AMCM ermöglicht hat. Die AMCM M 4K verfügt über mehr Bauvolumen. Die AMCM M 4K hat sich in der Lieferkette von New Space bereits als zuverlässiges System für missionskritische Teile etabliert und verfügt über eine signifikante installierte Basis. Sie ermöglicht ein Bauvolumen von 450x450x1.000 mm mit der Option der Pulverhandhabung für manuellen oder halbautomatischen Betrieb.

Die additive Fertigung hat die New Space-Unternehmen in die Lage versetzt, die Produktionsprozesse und das Design und damit die Funktionalität der hergestellten Teile kontinuierlich zu verbessern. Aber um diese Vorteile voll auszuschöpfen, muss sie mit anderen Technologien integriert werden.

Die nächste Generation von Trägerraketen, Triebwerken und Modulen der wird durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Technologien wie digitales Design, künstliche Intelligenz, neue Werkstoffe und Fertigungsmethoden zusammen mit der additiven Fertigung ermöglicht. Die vorgelagerten Anwendungen der neuen Raumfahrtindustrie nehmen stark zu. Zusätzlich zu Mega-Satellitenkonstellationen wie Starlink von SpaceX oder Kuiper von Amazon hat die EU kürzlich ihre eigene Konstellation IRIS² angekündigt. Da in Europa immer mehr Unternehmen entstehen, die sich auf die Raumfahrt und verwandte Branchen spezialisieren, wird die Zukunft der Raumfahrt weiter globalisiert.

Autor: Vinu Vijayan