Wissenschaftler:innen untersuchen die Handhabung tiefkalter Treibstoffe in den Tanks von Raketenoberstufen und orbitalen Treibstoffdepots.
Im Fallturm Bremen des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen konnten Forschende das Wachstum einzelner Dampfblasen in flüssigem Wasserstoff unter Schwerelosigkeit beobachten. Die Experimentreihe lieferte wertvolle Daten für ein besseres Verständnis der strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgänge im Zusammenhang mit tiefkalten Treibstoffen unter reduzierter Schwerkraft. Die Forschungsergebnisse, die am 12.03.2026 im Fachjournal Cryogenics, veröffentlicht wurden, sind vor allem für die Lagerung von flüssigem Wasserstoff im Orbit, z.B. in einer Raketenoberstufe oder einem zukünftigen Treibstoffdepot im Weltraum, von besonderem Interesse.
Eine Pressemitteilung des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation ZARM.
Quelle: ZARM / News / Forschung für die Handhabung von flüssigem Wasserstoff im Weltraum, 24. März 2026
Bildnachweis: ZARM, Universität Bremen
Wasserstoff und Sauerstoff sind eine der effizientesten Treibstoffkombinationen für moderne Raumfahrtantriebe. Um einen volumen- und massenoptimierten Tank eines Raumfahrzeugs zu realisieren, werden die kryogenen Treibstoffe heruntergekühlt bis sie einen flüssigen Aggregatzustand erreichen. In diesem Zustand besitzt die tiefkalte Flüssigkeit eine höhere Dichte als im gasförmigen Zustand und kann in kleineren, dünnwandigeren Tanks bei annähernd Umgebungsdruck gelagert werden. Die Handhabung der tiefkalten Flüssigkeiten unter reduzierter Schwerkraft stellt die Industrie und die wissenschaftliche Community jedoch vor große Herausforderungen: Bereits kleinste lokale Überhitzungen der Tankwand oder der Leitungen können Dampfblasen entstehen lassen. Der Entstehungsort sind sogenannte Keimstellen auf der mit Flüssigkeit benetzten Innenseite des Tanks.
Dieser Vorgang wird als Blasensieden bezeichnet und kann den thermodynamischen Zustand des Treibstoffs im Tank wesentlich beeinflussen: Die Entstehung und das Wachstum der Blasen führen dazu, dass eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas vorliegt, die den Druck im Tank ansteigen lässt und den Dampfgehalt verändert. Es besteht außerdem das Risiko, dass das Ansaugen von Gasblasen, die sich in der Flüssigkeit befinden, den Betrieb des Motors beeinflusst.
Bildnachweis: ZARM, Universität Bremen
Erkenntnisse aus dem Fallturm Bremen
Im Bremer Fallturm konnten die Forschenden die Entstehung und das Wachstum einzelner Wasserstoffdampfblasen gezielt hervorrufen und beobachten. Dabei wurde eine künstliche Keimstelle in Form einer winzigen Kavität im Material erhitzt. Da die Versuche unter reduzierter Schwerkraft erfolgten, ist die Dampfblase am Entstehungsort verblieben und wurde nicht auftriebsbedingt (wie unter Erdschwerkraft) wegbewegt.
Die aufgenommenen Experimentbilder und Messwerte ermöglichen eine Quantifizierung des Blasenwachstumsprozesses. Ein vom Heizer dissipierter Wärmestrom von nur 80 Milliwatt führte bereits zur Aktivierung der künstlichen Keimstelle. Innerhalb von 3,6 Sekunden ist daraufhin eine Dampfblase bis auf einen Durchmesser von etwa vier Millimetern angewachsen. In Verbindung mit den thermischen Randbedingungen liefern die Experimentergebnisse wichtige Daten, um numerische Modelle für das Siedeverhalten von flüssigem Wasserstoff im Weltraum weiter zu entwickeln.
„Unsere Experimentergebnisse tragen wesentlich dazu bei, die thermodynamischen Prozesse in kryogenen Treibstoffsystemen besser zu verstehen“, sagt André Pingel, Leiter der Arbeitsgruppe „Mehrphasenströmungen“.
Die Experimente wurden im Rahmen des bereits abgeschlossenen Vorhabens „Kavitation und Sieden von Methan und Wasserstoff“ (KASIMOFF 2) durchgeführt. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) unter dem Förderkennzeichen 50RL2290 gefördert.
Weitere Informationen
Link zur Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011227526000536?via%3Dihub
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