Additive Fertigung für die neue europäische Raumfahrt

16. Januar 2023 | Lesedauer: 5 min

Die neue Raumfahrtindustrie war von Anfang an stark auf die USA ausgerichtet, doch mit dem Aufkommen neuer Technologien und privater Unternehmen, die in die neue Raumfahrtindustrie investieren, hat sich dieser geografische Schwerpunkt auf einen größeren Teil der Welt ausgedehnt. In diesem Artikel werden wir die Globalisierung der neuen Raumfahrtindustrie anhand von Pioniertechnologien wie der additiven Fertigung und der wachsenden Rolle Europas untersuchen.

Der Vormarsch des neuen Raums in Europa

Im ursprünglichen Wettlauf um den Weltraum traten die Länder gegeneinander an, um als erste die Atmosphäre zu verlassen, als erste auf dem Mond zu landen, usw. Doch mit New Space beginnen diese nationalen Grenzen zu verschwinden. Die Raumfahrtindustrie ist nicht mehr nur eine Unternehmung, die von staatlichen Institutionen betrieben wird, sondern unabhängige Unternehmen beginnen allmählich, einen größeren Teil der Branche zu besetzen, wobei sie das Fachwissen, den Pioniergeist, riesige Mengen an privaten Finanzmitteln und Risikokapital sowie (buchstäblich) weltfremde Ambitionen mitbringen. Es gab viele technische Durchbrüche, die diese neue Weltraumwelle vorantrieben, wie fortschrittliche Fertigungstechnologien, 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. Dies sollte nicht weiter überraschen, da die industrielle, wissenschaftliche und akademische Exzellenz dieser Länder die Grenzen der Technologie seit Jahrzehnten immer weiter hinausschiebt. Da viele dieser Entwicklungen - wie z. B. die additive Fertigung - eine direkte und äußerst vorteilhafte Anwendung in der Weltraumforschung haben und Europa über eine so lange Geschichte der Weltraumforschung und eine entsprechende Infrastruktur verfügt, ist es ein logischer Schritt, sich zu engagieren und eine Schlüsselrolle in der NewSpace-Industrie und ihrer Zukunft zu spielen. 

Der europäische - und insbesondere der deutsche - Markt für New Space Akteure wächst. Der "neue" Ehrgeiz und Enthusiasmus der neuen Raumfahrt, ausgelöst durch den visionären Unternehmergeist junger Start-ups, die in diese Branche einsteigen, 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 großen Raumfahrtunternehmen und Start-ups zusammengearbeitet, sowohl als Partner für den Konzeptnachweis (POC) als auch als Anbieter von zuverlässigen AM-Serienlösungen, einschließlich der Anpassung der AM-Lösung an die spezifischen Bedürfnisse der Branche. Der zentrale Beitrag von EOS besteht darin, den Zugang der New Space Player zu den Fertigungstechnologien zu verbessern, die sie benötigen, um ihre ehrgeizigen Konzepte schnell, zuverlässig und kosteneffizient zu realisieren und gleichzeitig ihre Leistungsziele zu erreichen. 

Dieser für die neue Raumfahrt typische Unternehmergeist wurde auch von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) über ESA Space Solutions gefördert, das aus einem Netz zahlreicher BICs (Business Incubation Centers) in ganz Europa besteht. Im Folgenden finden Sie zwei hervorragende Beispiele für New Space Organisationen und Projekte, die derzeit in Europa florieren und bei denen die additive Fertigung einen wichtigen Beitrag zu ihrer Entwicklung geleistet hat:

Die Prometheus der ESA

Die Ariane-Gruppe, das französische Nationale Zentrum für Weltraumstudien (CNES) und die ESA arbeiten gemeinsam an dem Projekt PROMETHEUS - einer Reihe neuer Flüssigkeitsraketentriebwerke, bei deren Entwicklung niedrige Kosten, Flexibilität und Wiederverwendbarkeit im Mittelpunkt standen. 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 variablen Schubkräften und mehreren Zündeinstellungen, um eine umfassendere Nutzung für verschiedene Startarten zu ermöglichen.

Bisher wurden nur wenige Raketentriebwerksteile, die eine wichtige funktionale und strukturelle Rolle spielen, mit Hilfe der additiven Fertigung hergestellt. Im Rahmen des PROMETHEUS-Projekts soll sich dies ändern, indem die Designflexibilität von AM und die kürzere Produktionszeit genutzt werden. Bis zu 70 % des Triebwerksgewichts sollen im Rahmen des PROMETHEUS-Projekts durch additive Fertigung hergestellt werden. Das angestrebte Ergebnis ist die Optimierung von Prozessen, die eine schnelle Produktion von kostengünstigen Triebwerkskomponenten ermöglichen, 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 und hergestellt wurde. Diese Bemühungen werden zu einer massiven Verringerung der Kosten und der Komplexität bei Starts führen und damit die europäische Raumfahrtindustrie in die Lage versetzen, international wettbewerbsfähiger zu werden.

Isar Aerospace

Eine der herausragenden Erfolgsgeschichten, 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 intern entwickelt, wobei eine Kombination aus fortschrittlichen Materialien und Technologien zum Einsatz kam. Eines der Ziele von Isar ist es, die Emissionen von Raketenstarts drastisch zu senken, indem herkömmliche giftige 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 ist auf dem Weg, den ersten Start im Jahr 2023 sicherzustellen. 

Die additive Fertigung hat eine zentrale Rolle bei der erfolgreichen Entwicklung der Spectrum-Trägerrakete und des Triebwerks von Isar Aerospace gespielt, an der EOS direkt beteiligt war. Als die Anforderungen des Unternehmens an die additive Fertigung über das hinausgingen, was mit "Standardmaschinen" erreicht werden konnte, ging Isar Aerospace eine Partnerschaft mit EOS und AMCM ein, um eine maßgeschneiderte Maschine zu entwickeln, die es dem Unternehmen ermöglicht, die additive Fertigung ausschließlich intern zu nutzen und die Grenzen des Machbaren zu erweitern. Für Isar Aerospace bietet die additive Fertigung das perfekte Gleichgewicht zwischen Formbarkeit und Fortschrittlichkeit. Sie ermöglicht 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.

Additive Manufacturing hat sich direkt mit der Reduzierung der Komplexitätskosten in der Raumfahrtindustrie befasst, indem es die schwersten, die längste Vorlaufzeit erfordernden, die komplexesten und teuersten Teile wie die Schubkammerbaugruppe optimiert hat. Dies erforderte eine anwendungsspezifische System- und Prozessanpassung, die durch AMCM ermöglicht wurde. Die AMCM M 4K kommt mit 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 der größten installierten Basen. Sie ermöglicht ein großes Bauvolumen von 450x450x1.000 mm mit der Option des Pulverhandlings für den manuellen oder halbautomatischen Betrieb.

Als wir unsere additiven Fertigungsverfahren verbessern wollten, haben wir uns für die AMCM M 450 entschieden. Diese stabile Maschine von EOS, die dank der von AMCM vorgenommenen Anpassungen nun den für unsere Motorkonstruktion erforderlichen Bauraum bieten kann.

Wir wollen eine hohe Auslastung der Maschinen erreichen, daher ist die Nichtnutzungszeit zwischen den Druckaufträgen ein wichtiger Parameter, der reduziert werden muss. Konkret denke ich an ein vollautomatisches Pudermanagement (d.h. Absaugen, Sieben und Nachfüllen), an dem wir mit AMCM arbeiten, um effektivere Ergebnisse zu erzielen.

Christian Wenzl, Leiter der Fertigung bei Isar Aerospace

Die Zukunft der neuen Raumfahrt gestalten

Die additive Fertigung hat das Design und die Produktion von Teilen in der neuen Raumfahrtindustrie entscheidend vorangebracht. Sie hat die Unternehmen in die Lage versetzt, die Produktionsprozesse und die Fähigkeiten der hergestellten Teile kontinuierlich zu verbessern, aber um diese Entwicklungen voll auszuschöpfen, müssen sie mit anderen Technologien integriert werden.

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

Autor: Vinu Vijayan