Wie ein Raketenmotor aus dem 3D-Drucker eine neue Ära der Raumfahrt einläutet

Die Rakete, die am 25. Mai von Neuseeland aus ins All geschossen wurde, ist etwas ganz Besonderes: Sie ist nicht nur die erste Rakete, die von einem Privatgelände aus gezündet worden ist, sondern auch die erste, die von einem Motor angetrieben wird, der fast ausschließlich aus dem 3D-Drucker kommt. Das mag vielleicht die Erwartungen nach Schlagzeilen erste Rakete aus dem 3D-Drucker im All, die viele Medien veröffentlicht haben, nicht ganz erfüllen, zeigt aber, wie ernst diese Technik von der Raumfahrtindustrie genommen wird.

Die Teammitglieder, die hinter der Electron-Rakete der US-Firma RocketLab stehen, sagen, dass der Motor innerhalb von 24 Stunden gedruckt wurde und dass er die Effizienz und Leistung anderer Systemen übertrifft. Es gibt noch nicht viele Informationen über die genauen Details der im 3D-Verfahren gedruckten Komponenten, aber es ist wahrscheinlich, dass viele von ihnen in Richtung minimales Gewicht bei gleichbleibender struktureller Leistung designed wurden, während andere Teile optimiert wurden, um einen effizienten Durchlauf von Flüssigkeiten aufrechtzuerhalten. Die Vorteil daran, das Gewicht zu reduzieren und komplexe Designs erschaffen zu können, sind wohl die wichtigsten Gründe dafür, dass der 3D-Druck sein wichtigstes Anwendungsgebiet in der Raumfahrt finden könnte – inklusive dramatischer Auswirkungen.

Die Technologie, die man umgangssprachlich als 3D-Drucker bezeichnet, kann höchst komplizierte Formen produzieren. Zum Beispiel waren wir in der Lage, Gitterstrukturen exakt so zu produzieren, dass sie weniger Gewicht aufweisen als zuvpr, aber genau so robust sind wie ähnliche, feste Komponenten. Das ermöglicht die Produktion optimierter, leichter Teile, die vorher nicht kostengünstig genug herzustellen waren.

Das Mikrogitter von Boeing ist ein Extrembeispiel: Das mechanische, feste Gerüst besteht zu 99,9 Prozent aus Luft. Nicht alle 3D-Druckprozesse können solch komplexe Dinge produzieren, aber auch Gewichtseinsparungen von ein paar Prozent machen in der Luftfahrt einen großen Unterschied im Spritverbrauch.

3D-Druck funktioniert meist am besten in der Produktion von vergleichsweise kleinen, komplizierten Teilen, da in der Produktion von größeren Teilen die hohen Material- und Verarbeitungskosten überwiegen. Zum Beispiel kann ein neuer Stutzen das Mischen von Treibstoffen in einem Motor optimieren, was zu einer höheren Effizienz führt. Die Oberfläche eines Hitzeschildes zu vergrößern, indem man eine strukturierte statt einer glatten Oberfläche produziert, kann dazu führen, dass die Hitze wesentlich effizienter abtransportiert und somit die Gefahr der Überhitzung deutlich minimiert wird.

Auch der Abfall kann durch die Technik reduziert werden – das ist wichtig, da besonders in der Raumfahrt teure und seltene Materialien verwendet werden. 3D-Druck kann auch ganze Systeme auf einmal produzieren, statt sie aus vielen Teilen zusammenzusetzen. Zum Beispiel konnte die NASA die Anzahl der Komponenten eines ihrer Injektoren für eine Rakete von 115 auf nur noch zwei Stück verringern. Außerdem können 3D-Drucker auch geringe Stückzahlen fertigen – was in der Raumfahrtindustrie wichtig ist – ohne gleich teure Herstellungswerkzeuge fertigen zu müssen.

Im Orbit

3D-Drucker finden auch im All ihren Platz, wo es in tausenden Kilometern Entfernung schwierig ist, viele Teile mitzunehmen und Ersatz zu organisieren. Es gibt bereits einen 3D-Drucker auf der Internationalen Raumstation ISS, der es den Ingenieuren ermöglicht, ein Design zu schicken, das die Astronauten ausdrucken können.

Der momentante Drucker arbeitet nur mit Plastik, also wird er hauptsächlich zum Werkzeugmachen verwendet oder für Einweg-Ersatzteile von Komponenten, die schnell kaputt gehen wie Türgriffen. Aber sobald 3D-Drucker auch andere Materialien unkompliziert verarbeiten können, werden wir einen weiteren Anstieg in ihrer Verwendung sehen. Eines Tages werden die Leute im All sogar ihr eigenes Essen und biologisches Material produzieren können. Recycling könnte auch die kaputten Teile wieder zu Rohstoffen für 3D-Drucker machen.

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Astro-Drucken. Image by Barry Wilmore/NASA

Wenn man noch weiter in die Zukunft blickt, könnten 3D-Drucker sogar nützlich sein, um Kolonien zu bauen. Am Mond gibt es beispielsweise kaum traditionelles Baumaterial, aber die Europäische Agentur für Raumfahrt (ESA) hat bewiesen, dass Sonnenenergie die Produktion von Ziegeln aus Mondstaub antreiben kann – ein erster Start für ein solches Unterfangen. Forscher untersuchen nun, wie man 3D-Druck auf dieser Idee aufbauend verwenden und komplett gedruckte Gebäude auf dem Mond entwickeln kann.

Um diese Ideen in die Realität umzusetzen, wird weitere Forschung, verbesserte Materialien und Prozesse nötig sein – nur so können Komponenten den extremem Konditionen im All standhalten. Ingenieure werden auch an optimierten Designs arbeiten müssen und Methoden finden, die 3D-gedruckten Teile einer Sicherheitskontrolle zu unterziehen. Auch die Schwerkraft – oder eher ihre Abwesenheit – ist eine Herausforderung an die Technologie: Viele Prozesse verwenden aktuell Pulver oder Flüssigkeiten als Rohstoffe – daher wird bei fehlender oder geringer Schwerkraft einiges an Tricks aufgewendet werden, um 3D-Druck zu ermöglichen.

Möglicherweise werden auch neue Materialien und Technologien erforderlich sein. Aber die Forschung geht weiter und 3D-Druck wird immer mehr im All einsetzt werden – auch wenn ein komplett gedrucktes Raumfahrzeug in nächster Zeit noch nicht ins All starten wird. Da ist noch Luft nach oben.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „Raketenstart“ by WikiImages (CC0 Public Domain)


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Candice Majewski

Candice Majewski

ist Dozentin am Inbstitut für Maschinenbau an der Universität Sheffield. Ihre Forschung konzentriert sich haupsächlich auf Material- und Prozessverbesserungen von Technologien, um deren Nutzungsgrad für die Industrie zu erhöhen.

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