Um schwerere Nutzlasten durch den Weltraum befördern zu können, hat die NASA eine leichte Raketentriebwerksdüse aus Aluminium entwickelt, die dennoch der Hitze von Starts standhält.
Die NASA hat kürzlich zwei 3D-gedruckte Düsen im Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, getestet und damit bewiesen, dass sie in den anspruchsvollsten Weltraumumgebungen eingesetzt werden können, so die Raumfahrtbehörde angekündigt. Im Rahmen einer Partnerschaft mit Elementum 3D, dem von der NASA finanzierten Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution (RAMFIRE), konzentriert sich das Projekt auf die Weiterentwicklung leichter, additiv gefertigter Raketendüsen aus Aluminium.
Die Düsen waren während mehrerer Heißbrandtests mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff sowie Flüssigsauerstoff- und Flüssigmethan-Brennstoffkonfigurationen mit Druckkammern von mehr als 825 Pfund pro Quadratzoll fast 10 Minuten lang in Betrieb. „Diese Testreihe markiert einen bedeutenden Meilenstein für die Düse“, sagte Paul Gradl, RAMFIRE-Hauptforscher am Marshall der NASA, in einer Erklärung. „Nachdem wir die Düse einer anspruchsvollen Testreihe mit heißem Feuer unterzogen haben, haben wir gezeigt, dass die Düse den thermischen, strukturellen und Druckbelastungen eines Mondlandemotors standhalten kann.“
Raketentriebwerksdüsen bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, darunter Graphit, Keramik oder hochschmelzende Metalle. Aluminium hat gegenüber anderen Metallen den großen Vorteil, dass es eine geringere Dichte hat und daher eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweist. Das einzige Problem besteht darin, dass Aluminium eine sehr geringe Toleranz gegenüber extremer Hitze aufweist und daher normalerweise nicht für die additive Fertigung von Raketentriebwerksteilen verwendet wird.
RAMFIRE hatte sich zum Ziel gesetzt, eine schweißbare Aluminiumsorte zu entwickeln, die hitzebeständig genug für den Einsatz in Raketentriebwerken ist. Die RAMFIRE-Düsen sind mit kleinen internen Kanälen ausgestattet, die sie kühl genug halten, um ein Schmelzen zu verhindern.
Die Fähigkeit, leichte Raketenkomponenten herzustellen, die hohen strukturellen Belastungen standhalten, würde es der NASA ermöglichen, mehr Fracht zu Zielen im Weltraum zu schicken. „Masse ist von entscheidender Bedeutung für zukünftige Weltraummissionen der NASA“, sagte John Vickers, Cheftechnologe des Space Technology Mission Directorate der NASA, in einer Erklärung. „Projekte wie dieses reifen additive Fertigung zusammen mit fortschrittlichen Materialien und werden dazu beitragen, neue Antriebssysteme, Fertigung im Weltraum und Infrastruktur zu entwickeln, die für die ehrgeizigen Missionen der NASA zum Mond, zum Mars und darüber hinaus benötigt werden.“
Laut NASA wird die RAMFIRE-Düse außerdem mithilfe fortschrittlicher 3D-Druckmethoden aus einem Stück gefertigt, wodurch deutlich weniger Verbindungen erforderlich sind und die Herstellungszeit erheblich verkürzt wird. Bei der regulären Fertigung hingegen können bis zu tausend einzeln zusammengefügte Teile erforderlich sein. „Wir haben die Schritte im Herstellungsprozess reduziert, sodass wir große Motorkomponenten in nur wenigen Tagen in einem einzigen Bau fertigen können“, sagte Gradl.
Das RAMFIRE-Aluminiummaterial und der additive Herstellungsprozess wurden auch für die Konstruktion anderer Raketenkomponenten verwendet, beispielsweise einer Aerospike-Düse mit 36 Zoll Durchmesser und komplexen integrierten Kühlmittelkanälen und einem vakuumummantelten Tank für Anwendungen mit kryogenen Flüssigkeiten.
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