Quelle: DLR 27. Juli 2023.

27. Juli 2023 – Weltweit wird an umweltfreundlichen Alternativen zum Hydrazin (N₂H₄) geforscht, das als Treibstoff für Satellitentriebwerke in der Raumfahrt eingesetzt wird. Zwei vielversprechende Produkte aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sollen nun in den Weltraum und gleichzeitig auf den Markt gebracht werden. Dr. Lukas Werling und Felix Lauck aus dem DLR-Institut für Raumfahrtantriebe in Lampoldshausen gründen dazu das Start-up InSpacePropulsion Technologies.

Die beiden Wissenschaftler forschen seit vielen Jahren im DLR an fortschrittlichen Raketentreibstoffen. „Dabei wurde der Bedarf des Raumfahrtmarktes an kostengünstigen und trotzdem zuverlässigen Antriebslösungen immer offensichtlicher. Das gilt gerade auch für den New-Space-Bereich, in dem der Einsatz des teuren und giftigen Hydrazins oft gar nicht denkbar ist“, sagt Felix Lauck, einer der beiden Gründer der InSpacePropulsion Technologies GmbH i.G. (in Gründung). „New Space“ bezeichnet die Kommerzialisierung der Raumfahrt und ihre enge Verbindung mit der Wirtschaft.

HyNOx, eine der beiden entwickelten Antriebstechnologien, hat eine vergleichsweise hohe Leistung, ist sicher in der Handhabung und kostengünstig. Bei der zweiten Technologie handelt es sich um eine selbstzündende Treibstoffkombination mit dem Namen HIP_11, die vom DLR patentiert wurde. Beide Entwicklungen ergänzen sich: „HyNOx eignet sich für kleine und leichte Satelliten oder Raumfahrzeuge. HIP_11 hingegen bietet Vorteile bei größeren und schwereren Raumfahrzeugen“, erklärt InSpacePropulsion-Technologies-Gründer Dr. Lukas Werling.

Triebwerke für HyNOx-Treibstoffe aus dem 3D-Drucker
HyNOx ist ein Zweikomponententreibstoff und besteht aus Lachgas (N₂O) und Ethan (C₂H₆). Die Komponenten sind weltweit gut verfügbar. Zusätzlich werden die passenden Triebwerke im 3D-Druck Verfahren hergestellt, was Kosten reduziert und kurze Herstellungszeiten ermöglicht. HyNOx Treibstoffe wurden beim DLR sowohl als vorgemischter Einkomponenten-Treibstoff, als auch als klassischer Zweikomponententreibstoff erprobt. „In inzwischen mehreren tausend Heißläufen am Prüfstandskomplex M11 in Lampoldshausen zeigte sich das Potenzial des Treibstoffs. Die Ausgründung fokussiert sich dabei auf die Anwendung von HyNOx als Zweikomponententreibstoff“, sagt Lukas Werling. Die Basis für die Entwicklungen bilden zahlreiche DLR-interne sowie von der ESA geförderte Projekte.

In den letzten Monaten haben die Forschenden HyNOx-Triebwerke mit unterschiedlichen Schubklassen getestet. Ihr Start-up treibt nun die Weiterentwicklung und die anschließende Demonstration der Technologie im All voran.

HIP_11 – selbstzündend und leistungsstark
Den Treibstoff „HIP_11“ (Hypergolic Ionic Propellant developed at M11) hat Felix Lauck im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Versuche verliefen erfolgreich, zusätzlich wurde der Treibstoff patentiert. „Eine Komponente von HIP_11 ist konzentriertes Wasserstoffperoxid, ein leistungsstarker und gut zu handhabender Oxidator. Bei der zweiten Komponente handelt es sich um ein Salz, das eine sehr geringe Schmelztemperatur aufweist und damit bei Raumtemperatur flüssig ist. Sobald dieses Salz mit Wasserstoffperoxid in Kontakt ist, reagieren die Stoffe miteinander und es kommt zur Zündung“, erklärt Felix Lauck. Diese selbstzündende Eigenschaft heißt „hypergol“. Die hypergole Zündung ist sehr zuverlässig. Selbstzündende Treibstoffe auf Hydrazin-Basis werden für viele Raumfahrt-Antriebe eingesetzt. „Bei HIP_11 handelt es sich nun um einen alternativen Treibstoff, der eine vergleichbare Leistung wie konventionelle Treibstoffe bietet. Er ist jedoch viel einfacher zu handhaben. Auch das reduziert die Kosten von HIP_11-Antrieben gegenüber konventionellen Technologien deutlich“, ergänzt Felix Lauck.

Der Weg zur Ausgründung
Die beiden InSpacePropulsion-Technologies-Gründer möchten mit ihren im DLR entwickelten Technologien eine kostengünstige und nachhaltige Raumfahrt voranbringen. Bereits kurz nach dem Start ihres Ausgründungsprojekts erhielten Felix Lauck und Lukas Werling die ersten Absichtserklärungen (sogenannte Letters of Intent) der Industrie. „Die Technologien stoßen auf großes Interesse“, sagt Lukas Werling. Auch mit dem DLR wird eine starke und langfristige Kooperation angestrebt. Schon im kommenden Jahr sollen die Triebwerke und Systeme im All erprobt werden.

Während der Gründungsphase werden die beiden Wissenschaftler vom DLR-Technologietransfer und von der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. „Diese Ausgründung ist ein Beispiel dafür, wie wichtig und am Ende eben auch erfolgreich die professionelle und systematische Unterstützung von Ausgründungen im DLR ist. Wir begleiten die Gründungen von der ersten Idee, über die Marktsondierung, die Entwicklung von Produkt-Prototypen, Schulungen in Marketing und Vertrieb, Finanzierungsberatung und vielem mehr und machen sie so für den Markt fit. So bringen wir Forschungsergebnisse in die Anwendung, erzeugen Wertschöpfung und schaffen hochkarätige Arbeitsplätze“, erklärt Prof. Karsten Lemmer, Mitglied des DLR-Vorstands und verantwortlich für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen.

Die Forschung geht weiter
Das DLR-Institut für Raumfahrtantriebe, an dem die Gründer angestellt sind, forscht weiter an fortschrittlichen Treibstoffen. In der Abteilung Satelliten- und Orbitalantriebe arbeiten die Forschenden insbesondere an neuen Treibstoffmischungen und darauf abgestimmten Antriebssystemen. Auch ihr Ziel ist es, die Luft- und Raumfahrt nachhaltiger, einfacher, günstiger und sicherer zu machen.

Satelliten spielen im Alltag eine wichtige Rolle: Sie sind unter anderem Grundlage für die Erforschung und Überwachung des Klimawandels, aber auch für Anwendungen in der modernen Landwirtschaft sowie im Katastrophenschutz und in der Kommunikation und Navigation.

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• InSpacePropulsion Technologies

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Quelle: DLR.

Nach dem erfolgreichen Test des neuartigen Hybridraketentriebwerks „AHRES-B“ im Frühjahr 2019 hat nun das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am 17. Juni und 7. Juli 2021 zwei weitere erfolgreiche Tests mit der deutlich größeren Variante VISERION durchgeführt. Die Versuchsvorbereitungen und die Inbetriebnahme erfolgten durch ein Team der Abteilung Raumfahrzeuge des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik am Prüfstand für Hybridraketentriebwerke am Standort Trauen.

Die Versuchsergebnisse der aktuellen Tests zeigen ganz klar: Das in den DLR-Projekten AHRES und ATEK entstandene und nun im DLR-Querschnittsprojekt Simulation Based Certification (SimBaCon) getestete Triebwerk VISERION ist weit effizienter als die bisherigen Hybridraketentriebwerke. Für die Forschenden des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik ein besonderer Grund zur Freude, denn Hybridraketentriebwerke sind nicht nur grundsätzlich günstiger und sicherer als herkömmliche Raketenantriebe, VISERION ist zudem deutlich effizienter als alle seine Vorgänger.

„Die aktuellen Tests haben gezeigt, dass die technologische Entwicklung von Hybridraketentriebwerken jetzt für den praktischen Einsatz weit genug fortgeschritten ist, beispielsweise für den Einsatz in Höhenforschungsraketen“, erläutert Dr.-Ing Thino Eggers, Leiter der Abteilung Raumfahrzeuge vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik.

Was sind Hybridraketentriebwerke?

Hybridraketentriebwerke sind Kombinationen aus Feststoff- und Flüssigtriebwerken und vereinen die besten Eigenschaften beider Triebwerkstypen. Der für die Verbrennung nötige flüssige Sauerstoff-Träger – in diesem Fall hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid – und der feste Brennstoff HTPB (Hydroxyl-terminiertes Polybutadien) liegen in VISERION in verschiedenen Aggregatzuständen vor und reagieren erst bei hohen Temperaturen und Drücken in der Brennkammer miteinander.

Die Vorteile: Dadurch besteht während der Lagerung und des Betriebs keine Explosionsgefahr. Darüber hinaus sind die verwendeten Stoffe ungiftig und nicht umweltgefährdend.

Kompakter, leichter und sicherer

Im Gegensatz zu anderen Oxidator-Brennstoff-Kombinationen von Hybridtriebwerken hat die Nutzung von Wasserstoffperoxid als Oxidator einige wesentliche Vorteile: Die Verwendung ermöglicht merklich kompaktere Triebwerke als beispielsweise bei Verwendung von flüssigem Sauerstoff. Der flache Verlauf des spezifischen Impulses erlaubt eine bessere Regelbarkeit und die einfache Zündung durch Katalyse erspart einen Zünder als zusätzliches Bauteil. Die deutlich niedrigere Brennkammertemperatur und die dadurch geringeren strukturellen Anforderungen bewirken ebenfalls eine Gewichtsersparnis der Thermalschutzsysteme. Weiterhin ist das hier verwendete Wasserstoffperoxid, zum Beispiel im Vergleich zu üblicherweise verwendetem flüssigem Sauerstoff, einfacher zu handhaben und zu lagern.

Bei den Testläufen an der Versuchsanlage am DLR-Standort Trauen gelangte das katalytisch zersetzte Wasserstoffperoxid mit etwa 650 Grad Celsius in die Brennkammer. Die freiwerdende Wärme wurde in Bewegungsenergie – in einen Schub von etwa 12.000 Newton – umgewandelt. Dabei nutzte VISERION den Brennstoff über eine Zeit von 27 Sekunden nahezu vollständig aus und erzielte, ähnlich wie AHRES-B, eine deutlich erhöhte Abbrandrate im Vergleich zu früheren Hybridraketentriebwerken.

Letztere ist wichtig für den Entwurf eines effizienten und kompakten Triebwerks und wurde auch bei VISERION durch eine innovative, verwundene „Finnengeometrie“ realisiert.

Wegbereiter für effiziente und flexible Höhenforschungsraketen

Der für den Test genutzte Prüfstand in Trauen verfügt über zahlreiche moderne Mess- und Steuerungseinrichtungen und ermöglicht den sicheren Versuchsbetrieb von Hybridraketentriebwerken. Die Infrastruktur für den sicheren, umweltschonenden Umgang mit großen Mengen Wasserstoffperoxid ist deutschlandweit einzigartig.

„Der Funktionsnachweis ist ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zu einer flugfähigen Brennkammer in Leichtbauweise mit einer tragenden Struktur aus Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK). Die flugfähige Variante wird unter dem Namen VISERION+ weiterentwickelt und kann als Hybrid-Oberstufe für zukünftige Höhenforschungsexperimente dienen“, ergänzt Eggers.

Forschung zu Hybridraketentriebwerken im DLR

Die Entwicklung und die Betreuung der Fertigung des VISERION-Triebwerks wurden am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig durchgeführt. Die finanzielle Grundlage für den Bau von VISERION kam aus der Unterstützung der Investitions- und Förderbank des Landes Niedersachsen (NBank). Personell werden die Aktivitäten zu VISERION seit Januar 2021 auch durch das neu gegründete Kompetenzzentrum für Reaktionsschnelle Satellitenverbringung der DLR Sicherheitsforschung unterstützt, das ein besonderes Interesse an alternativen, einfach aufgebauten Oberstufen zur Beförderung von Satelliten hat.

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• DLR

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Quelle: DLR.

Für die Forscher ein besonderer Grund zur Freude, denn Hybridraketentriebwerke sind nicht nur grundsätzlich günstiger und sicherer als herkömmliche Raketenantriebe, AHRES-B ist zudem deutlich effektiver als alle seine Vorgänger. Der aktuelle Test hat gezeigt: Die technologische Entwicklung von Hybridraketentriebwerken ist jetzt weit genug fortgeschritten, um eingesetzt zu werden, beispielsweise auf Höhenforschungsraketen.

Der Vorteil: Hybridraketentriebwerke sind Kombinationen aus Feststoff- und Flüssigtriebwerken und vereinen die besten Eigenschaften beider Triebwerkstypen. Der flüssige Sauerstoff-Träger – in diesem Fall hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid – und der feste Brennstoff HTPB (Hydroxyl-terminiertes Polybutadien) sind in AHRES-B zunächst getrennt und treffen erst in der Brennkammer aufeinander. Dadurch besteht während der Lagerung und des Betriebs keine Explosionsgefahr. Darüber hinaus sind die verwendeten Stoffe ungiftig und nicht umweltgefährdend.

Beim Testlauf in Trauen gelangte das katalytisch zersetzte Wasserstoffperoxid mit etwa 650 °C in den Brennstoffblock. Die frei werdende Wärme wurde in Bewegungsenergie – in einen Schub von etwa 2700 Newton – umgewandelt. Dabei nutzte AHRES-B den Brennstoff über eine Zeit von 21 Sekunden vollständig aus und erzielte im Vergleich zu Vorversuchen eine Verdopplung der Abbrandrate. Die hohe Abbrandrate ist wichtig für den Entwurf eines effizienten und kompakten Triebwerks. Möglich machte dies eine innovative, verwundene „Finnengeometrie“.

Die Versuchsergebnisse des Validierungstests zeigen ganz klar: Das in den DLR-Projekten AHRES und ATEK entstandene und nun im DLR-Querschnittsprojekt Simulation Based Certification (SimBaCon) getestete Triebwerk AHRES-B ist weit effizienter als die bisherigen Hybridraketentriebwerke.

Die Entwicklung und die Betreuung der Fertigung des AHRES-B-Triebwerks wurden am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig durchgeführt. Die Versuchsvorbereitungen und die Inbetriebnahme erfolgten durch ein Team der Abteilung Raumfahrzeuge am institutseigenen Prüfstand für Hybridraketentriebwerke im Standort Trauen. Dieser Prüfstand verfügt über zahlreiche moderne Mess- und Steuerungseinrichtungen und ermöglicht den sicheren Versuchsbetrieb von Hybridraketentriebwerken. Deutschlandweit einzigartig ist die Infrastruktur für den sicheren, umweltschonenden Umgang mit großen Mengen Wasserstoffperoxids.

Die Versuche dienen der Validierung der Entwurfssoftware AHRES, die im Querschnittsprojekt SimBaCon weiterentwickelt und überprüft wird. AHRES soll in ihrer Endversion einen Entwurf von Hybrid- und Feststofftriebwerken in Großausführung innerhalb von 100 Tagen erlauben. Durch den beschriebenen Versuch wurde belegt, dass die Software ausgezeichnet funktioniert. Da die zugrundeliegenden numerischen Ansätze für Großtriebwerke ausgerichtet sind, wird nun in einer nächsten Versuchsphase das bereits im Bau befindliche Triebwerk „VISERION“ getestet, das über 30 Sekunden einen Schub von bis zu 15000 Newton erlaubt. Der Bau von VISERION erfolgt mit Unterstützung der Investitions- und Förderbank des Landes Niedersachsen (Nbank).

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Ein Beitrag von Markus Arens. Quelle: Spaceref.

Astronomen haben zum ersten Mal Wasserstoffperoxid (H₂0₂) in der Atmosphäre des Mars nachgewiesen. Dies ist das erste Mal, dass chemische Katalysatoren dieser Art in der Atmosphäre eines anderen Planeten als der Erde gefunden wurden. Katalysatoren kontrollieren die Reaktionen der wichtigsten chemischen Kreisläufe in der Erdatmosphäre. Diese Ergebnisse zeigen, dass Wissen über die Erdatmosphäre genutzt werden kann, die Chemie der Atmosphären anderer Planeten zu erklären und umgekehrt.
Die Erdatmosphäre ist sehr viel genauer untersucht als die des Mars. Wissenschaftler müssen also auf Ihre terrestrischen Erfahrungen zurückgreifen um abzuschätzen, wie die Marsatmosphäre auf solare Strahlung reagiert und wie ihr fotochemisches Gleichgewicht kontrolliert wird.

Modelle haben vorausgesagt, das Wasserstoffperoxid der Schlüsselkatalysator ist, der die Atmosphärenchemie des Mars kontrolliert. Bis jetzt waren Wissenschaftler nicht in der Lage die vorausgesagten Mengen H₂O₂ zu entdecken, so dass einige Wissenschaftler die Modelle bereits anzweifelten.

Die neuen Messungen bestätigen nun die vorherrschende Theorie. Dr. Todd Clancy, Leiter des Forschungsteams an dem Space Science Institute (SSI) in Colorado, sagt dazu: „Wir haben deutlich bestätigt, dass das chemische Gleichgewicht der Marsatmosphäre auf Zerfallsprodukten von Wasserdampf beruht, ohne das spezielle oder unbekannte Änderungen an der vorherrschenden Theorie benötigt werden.“

Welche Auswirkung hat dieses Ergebnis für die Suche nach Leben auf dem Mars? Dr. Clancy meint: „Wasserstoffperoxid wird auf der Erde als Antiseptikum verwandt und würde jede biologische Aktivität auf der Oberfläche des Mars verzögern. Aus diesem Grund, neben der ultravioletten Strahlung und dem Mangel an Wasser erwartet man, dass bakterienähnliche Organismen auf der Oberfläche des Mars nicht lebensfähig sind. Die meisten Argumente für das Finden von Leben auf dem Mars konzentrieren sich nun auf Regionen unterhalb der Oberfläche.“

Die Arbeit ist in der Märzausgabe des Journals Ikarus veröffentlicht worden. Die Beobachtungen wurden am James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) gemacht, das nahe des 4.205 Meter hohen Gipfel des Mauna Kea auf Hawaii gelegen ist.

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