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Verbundwerkstoffe: Die Zukunft liegt im All
21.04.2023
Die Erforschung des Weltraums ist seit ihrer Entstehung einer der stärksten Motoren der technologischen Entwicklung. Die technischen Herausforderungen, die sie mit sich bringt, vom Zugang zum Weltraum bis zum Betrieb in einer Weltraumumgebung, erfordern neues technisches Wissen, Innovation und Initiativen in der Entwicklung von neuen Materialien, Herstellungsprozessen, der Konstruktion von innovativen Strukturen sowie der Prüfung und Bewertung von Systemen für den Weltraum.
Leichtbaumaterialien tragen zur Wirtschaftlichkeit von Weltraummissionen bei
Die Anwendung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen hat in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen, da sie eine einzigartige Kombination von geringer Dichte, hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie Zähigkeit darstellen. Sie gelten als die nächste Generation von Materialien für raumfahrttechnische Anwendungen.
Um ein Material für Weltraumanwendungen zu entwerfen, ist ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss, die Gesamtmasse der Struktur. Die Reduzierung des Gewichts der in den Weltraum geschossenen Strukturen und Systeme ist eine der größten Herausforderungen, da jedes geschossene Kilogramm tausende Euros kosten kann.
Eine mögliche Antwort auf diese Herausforderung stellt die Entwicklung von Verbundwerkstoffen dar, da diese widerstandsfähiger und steifer sein können als jene Materialien, die sie ersetzen. Verbundwerkstoffe werden so zu wirtschaftlichen Enablern des Zugangs zum Weltraum.
Anforderungen an Verbundwerkstoffe im Weltraum
Während der Entwurfsphase von Strukturmaterialien für Weltraumanwendungen ist es wichtig, die Weltraumumgebung in Bezug auf Vakuum, Strahlung und thermische Zyklen zu berücksichtigen, um die Haltbarkeit des Materials unter rauen Bedingungen zu gewährleisten.
Beispielsweise sind Satelliten während ihrer Entwicklung, Herstellung und ihres Starts zu ihrer endgültigen Betriebsposition im Weltraum verschiedenen Arten von mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Störungen ausgesetzt [5]. Eines der üblichen Materialien, die in Raumfahrtanwendungen verwendet werden, ist Aluminium. Als Strukturmaterial ist es leichter ist als andere metallische Werkstoffe, allerdings ist es im Vergleich zu fortschrittlichen Verbundwerkstoffen schwer.
Aluminium wird als Strahlungsabschirmung in Weltraumstrukturen verwendet, es soll die Energie und den Fluss der Strahlung auf ein Niveau unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts abschwächen, der für die Elektronik der Raumfahrtstruktur und die Nutzlast sicher ist. [6].
Weitere Aspekte, die für Raumfahrtmaterialien zu berücksichtigen sind, lassen sich im ECSS-EHB-32-20 Part 1A/2011 "Space engineering: Structural materials handbook - Part 1: Overview and material properties and applications" [7] nachlesen. Die wichtigsten Überlegungen sind:
- die Ausgasungsrate (die so gering wie möglich sein muss),
- Mikrorissbeständigkeit (die Materialien müssen eine hohe Beständigkeit gegen Mikrorissbildung durch den Aufprall von Mikrometeoroiden aufweisen),
- Dimensionsstabilität (ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient) bei hohen/tiefen Temperaturen (thermische Wechselbeanspruchung),
- Beständigkeit gegen Gammastrahlung,
- Beständigkeit gegen den Angriff von Atomströmen,
- Protonen- und Elektronenabschirmung,
- UV- und VUV-Abschirmung.
Nach ECSS-E-HB-32-26A/2013 "Space engineering. Spacecraft mechanical loads analysis handbook" ist die Hardware während des Raumfluges statischen und dynamischen Belastungen wie
- statische Beschleunigung,
- niederfrequente dynamische Reaktion,
- hochfrequente zufällige Vibrationsumgebung,
- hochfrequente akustische Druckumgebung,
- Schockereignisse ausgesetzt [8].
Bildquelle: NASA
Fazit
Mit der Weiterentwicklung der Technologie, dank der Konstruktion optimierter Produkte, der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und der Einführung neuer Materialien (wie z. B. neue Polymere, neue Fasern oder die Einbeziehung neuer Materialien in die Struktur, wie z. B. Nanomaterialien), haben Verbundwerkstoffstrukturen für Raumfahrtanwendungen eine noch bemerkenswertere Leistung erreicht. [4],[5],[6],[7]
Verwendete Literatur
[1] Naser, M. Z., & Chehab, A. I. (2018). Materials and design concepts for space-resilient structures. Progress in Aerospace Sciences, 98, 74-90.
[2] Bhat, Gajanan, ed. Structure and properties of high-performance fibers. Woodhead Publishing, 2016.
[3] Alemour, B., Badran, O., & Hassan, M. R. (2019). A Review of using conductive composite materials in solving lightening strike and ice accumulation problems in aviation. Journal of Aerospace Technology and Management, 11.
[4] Sudhin, A. U., Remanan, M., Ajeesh, G., & Jayanarayanan, K. (2020). Comparison of Properties of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic and Thermosetting Composites for Aerospace Applications. Materials Today: Proceedings, 24, 453-462.
[5] Zhang, X., Chen, Y., & Hu, J. (2018). Recent advances in the development of aerospace materials. Progress in Aerospace Sciences, 97, 22-34.
[6] Sairajan, K. K., Aglietti, G. S., & Mani, K. M. (2016). A review of multifunctional structure technology for aerospace applications. Acta astronautica, 120, 30-42.
[7] Gohardani, O., Elola, M. C., & Elizetxea, C. (2014). Potential and prospective implementation of carbon nanotubes on next generation aircraft and space vehicles: A review of current and expected applications in aerospace sciences. Progress in Aerospace Sciences, 70, 42-68.