Leichtbau in der Raumfahrt – Strukturen heute und morgen

Die Raumfahrt gilt als Königsdisziplin des Leichtbaus: Die Anforderungen an Design, Materialeigenschaften und Leistungsfähigkeit sind extrem hoch, denn jedes zusätzliche Gramm Gewicht treibt die Kosten.

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Seit einigen Jahren gibt es in der Raumfahrt einen Trend zur Kommerzialisierung, unter anderem initiiert von Firmen wie SpaceX. Allerdings handelt es sich – abgesehen vom Markt für Telekommunikationssatelliten, der schon heute hohe Stückzahlen produziert – bei der überwiegenden Anzahl heutiger Raumfahrtprojekte immer noch um hochspezifische Einzelfertigungen oder Kleinserien. Das bedeutet, dass für jedes Produkt und jedes Missionsprofil neue Herausforderungen gelten und häufig individuelle Lösungen für die benötigten Materialien und Strukturen gefunden werden müssen. Der Weltraum ist faszinierend, aber nüchtern betrachtet eine äußerst unwirtliche und lebensfeindliche Umgebung. Im Weltraum herrschen extreme Temperaturunterschiede, große bis sehr große Distanzen zur Erde, Vakuumbedingungen und eine gefährliche Strahlung. Materialien müssen also thermisch, mechanisch, elektrisch und strahlenschutztechnisch sehr hohe Anforderungen erfüllen, die Mission zu Mission mit den angewandten Materialien und Prozessvarianten erfüllt werden müssen.

„Failure is not an option“ lautet ein bekannter Slogan der Nasa, und um Versagen auszuschließen, müssen alle Komponenten aufwendig nach internationalen Standards geprüft sowie Materialien und Prozesse penibel dokumentiert werden – entlang der gesamten Zuliefererkette. Aufgrund der geringen Stückzahlen von Gleichteilen beziehungsweise der „Einzigartigkeit“ der Strukturen ist der Entwicklungsaufwand unter den meist sehr bürokratischen Randbedingungen entsprechend hoch. Wenn eine Rakete mit einer Nutzlast an Bord einmal auf dem Weg in ihren Zielorbit ist, muss alles funktionieren – oder die Mission ist gescheitert. Der Anspruch der absoluten Zuverlässigkeit und einzigartigen Qualität von Material und Struktur von der ersten Skizze bis zum Ende einer oft mehrjährigen Mission zeichnet die Komplexität von Raumfahrtprojekten aus. Beispielsweise müssen Klebeprozesse für Materialien für eine Reise zum Mars Temperaturen von -150 bis +150 Grad Celsius aushalten; heißt das Ziel Jupiter, muss die Sonde noch an der Venus vorbei und Temperaturwechsel zwischen -190 bis zu +160 Grad Celsius über mehrere Jahre ohne Performanceeinbußen tolerieren.

Neue Bauweisen durch Funktionsintegration und 3D-Druck

Vergleicht man die Materialien,  Strukturen und Prozesse von vor zehn Jahren mit den heutigen, so liegen die Unterschiede vor allem in der Funktionsintegration, also der intelligenten Verbindung einzelner Einheiten miteinander, um das System insgesamt smarter, leichter und trotzdem robust zu machen. Bezogen auf die Raumfahrt werden heutzutage beim Bau von Raketentriebwerken unter anderem 3D-Druckverfahren eingesetzt, die erstmalig mechanische und thermische Funktionen in Form einer regenerativen Kühlung vereinen, erheblich leichter und dabei schneller und günstiger zu fertigen sind – ein Quantensprung für die eher konservative Raumfahrt.

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Unter dem Schlagwort Embedded Electronics können Elektronikteile und Kabel direkt verbaut in die Strukturen integriert werden. So gibt es heute smarte Strukturen mit integrierter Elektronik anstelle aufgeklebter Sensoren und Kabelstränge. Parallel dazu arbeiten wir mit immer präziseren Fertigungs- und Testanlagen wie sehr genauen, großen Fräsen und präziser Messtechnik im Nanometerbereich, die die Performance von optischen Messinstrumenten auf Satelliten durch genauere und stabilere Stützstrukturen stetig verbessern.

Im Bereich der Digitalisierung helfen bessere Software-Tools Entwicklungs- und Testaufwendungen zu reduzieren und erleichtern so das sogenannte Co-Engineering einer international vernetzten Branche. Riesige Berge an Papierdokumentation, viel schwerer als die eigentliche Hardware, findet man nur noch sehr selten. Nach und nach hält die Digitalisierung ebenso Einzug in die Produktion. Das Spektrum reicht von digitaler Fertigungsdokumentation, über Automatisierung einzelner Fertigungsschritte, etwa der Integration von Metalleinsätzen in Sandwichpaneelen, bis hin zum Internet der Dinge, wobei ganze Produktionsabläufe vollautomatisch geplant und gesteuert werden.

Kommerzialisierung verändert den Raumfahrtmarkt nachhaltig

Die zunehmende Kommerzialisierung der Raumfahrt unter dem Stichwort New Space verändert den bisher eher trägen Raumfahrtmarkt nachhaltig. Insbesondere in den Bereichen kleiner kommerzieller Satelliten, großer Satellitenkonstellationen und dem Zugang zum All mittels Trägerraketen heißen die neuen Schlagworte Schnelligkeit und Kosten.

Dabei sind aktuell kaum neue Materialien in Sicht, der Trend geht eher zu einer Weiterentwicklung der Fertigungsprozesse vorhandener Materialien, beispielsweise im 3D-Druck und für thermoplastische Kunststoffe. Je nach Produkt wird jedoch auch der Anteil von Handarbeit an den komplexeren Aufgaben, wie zum Beispiel dem Zusammenbau großer Instrumentenstrukturen, weiter hoch bleiben, jedoch durch mächtigere Tools wie bessere Messsysteme und vor allem die Digitalisierung gestützt werden.

Zudem werden uns die Themen Funktionsintegration sowie Automatisierung und Digitalisierung weiter begleiten und spürbare Fortschritte bringen. Komplette Bauteildokumentation für ein fehlerhaftes Bauteil auf Knopfdruck einsehen? Kein Problem.