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Nächste Ausfahrt: Weltraum

Wie 3D-Druck und Beschichtungen diesen Raumfahrtingenieuren zu mehr Schub verhalf

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Sie nennen sich Techniker, obwohl sie Wissenschaftler sind. Aber letztlich kommt es für Edward Fletcher und Lee Giles nicht auf die Berufsbezeichnung an. Schließlich begegnen, überschneiden und unterstützen sich Technik und Wissenschaft in allem, was sie tun.

Fletcher und Lee gehören zu den Gründern des Unternehmens LENA Space Ltd. in Bath, Großbritannien, bei dem sie seit 2016 als CEO und CTO die Geschäfte führen. LENA ist auf technische Lösungen für den Weltraum spezialisiert, wobei die Briten nicht von der Theorie direkt zum Produkt kommen, sondern wissenschaftlich gestützte Konzepte entwickeln, die bei der Konstruktion fortwährend berücksichtigt und umgesetzt werden.

„Oft ist es besser“, sagt CEO Fletcher, „an einem bestimmten Punkt die Theorie anzuwenden, Tests durchzuführen und dann Schritt für Schritt fortzufahren.“ Hinzu kommt, dass jede Entwicklungsphase in der Regel auf den Erkenntnissen früherer Phasen aufbaut. So kann LENA seine Prozesse ständig verbessern. Zudem wurden in Zusammenarbeit mit Oerlikon, das seit 2017 mit LENA eine Partnerschaft unterhält, technisch und wirtschaftlich enorme Fortschritte erzielt.

LENA erhielt 2017 von der britischen Raumfahrtbehörde einen Zuschuss für Forschung und Entwicklung. Gegenstand sollten zentrale Antriebsbauteile sein. Die Technologie, so die Beschreibung des Auftrags, müsse sich nicht exklusiv auf die Raumfahrt beziehen, die Anwendungen dürften auch im konventionellen Energie-, Umwelt- und Verkehrsbereich zum Einsatz kommen.

LENAs Team konzentrierte sich zunächst auf die Entwicklung einer Turbopumpe, die wie die Benzinpumpe eines herkömmlichen Autos funktioniert, insbesondere zwei Anwendungen, die bereits einen Machbarkeitsnachweis erbracht hatten, wurden in Betracht gezogen: verbesserte Pumpleistung bei Löschfahrzeugen und leichte Hochleistungspumpen für die Durchflusssteuerung.

Vom Rennsport zu Raketenantrieben

So kompliziert die Aufgabe klingt, so vertraut sind Fletcher und Giles mit derartigen Herausforderungen. Die beiden lernten sich bei einem Projekt kennen, bei dem ein raketengetriebenes Überschallauto ein Geschwindigkeitsrekord an Land aufstellen sollte. Giles erinnert sich: „Nach einer Diskussion über die Entwicklung von Bauteilen für Raketenantriebe außerhalb der USA kamen wir auf die Idee, LENA zu gründen.“

Geschwindigkeit und Leistung sind die zentralen Elemente bei Raketenantrieben. Konsequenterweise haben alle Mitarbeiter von LENA Erfahrung mit schnellen – und mitunter auch ungewöhnlichen – Formen der Fortbewegung. Fletcher arbeitete in Neuseeland an Jetpacks* und in Großbritannien an Hybridluftschiffen. Giles war in Forschung und Entwicklung im Automobilbereich tätig. Unter anderem beschäftigte er sich mit Konzepten, die von McLaren Automotive für ihre Supersportwagen übernommen wurden. Dazu passt, dass die meisten Teammitglieder bei LENA aus dem Rennsport kommen.

Zurück zur Turbopumpe, die sich als technisch anspruchsvolle Aufgabe erweisen sollte. Eine Turbopumpe zieht Treibstoff aus einem Tank und leitet ihn zum Raketentriebwerk. So weit die Theorie. In der Praxis hingegen hört sich das schon komplizierter an. Schließlich unterstützt die Pumpe ein Schubtriebwerk von 13 Tonnen. Dazu muss sie bei einem Druck von 70 Bar** pro Sekunde etwa 60 Kilogramm Treibstoff befördern. Das entspricht in etwa Bedingungen wie sie bei mehr als 700 Metern Wassertiefe herrschen.

Auch das Turbinenteil steht bei diesem Prozess unter extremen Belastungen. Es muss 20.000 Umdrehungen pro Minute bewältigen, also etwas drei Mal so viel wie ein normaler Automotor. In der Turbopumpe kommt es dabei durch das Zusammenspiel von Flüssigtreibstoff und Verbrennungsgasen zu Temperaturunterschieden von mehreren Tausend Grad Celsius.

Balance zwischen Performance und Kosten

Bei all ihren Entwicklungen hat sich LENAs Ansatz – entwickeln, testen, verbessern –nachhaltig bewährt. Das Ergebnis waren stets optimierte Produkte. Doch je mehr Prototypen gebaut werden müssen, umso teurer wird das Projekt. Vor allem bei einer Turbopumpe, die immerhin die Hälfte der Entwicklungskosten eines Raketentriebwerks verschlingt. Einerseits müssen die Leistungsanforderungen hinsichtlich Stärke, Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit erfüllt, andererseits die Kosten unter Kontrolle gehalten werden.

Hier kommt Oerlikon ins Spiel. Oerlikon AM unterstützte LENA Space bei der Prototypentwicklung und der Werkstoffauswahl der Turbopumpe. Additive Fertigung – auch bekannt als 3D-Druck – war genau die richtige Technologie für die britischen Raumfahrttechniker. Oerlikon Metco stellte gleichzeitig Wärmedämmschichten für die Bauteile zur Verfügung.

3D-Druck und Spezialbeschichtungen sind eine Win-Win-Kombination. Bewährt hat sie sich auch bei einer weiteren jüngeren Entwicklung von LENA: regenerative Raketendüsen. Hier fließt kalter Flüssigtreibstoff durch einen Kühlmantel, der die Außenseite des Triebwerks umhüllt. Dadurch wird die Temperatur reguliert bevor der Treibstoff verbrennt und durch die Düse fließt, wobei ebenfalls Temperaturen wie in einem Hochofen entstehen.

Traditionell wird der Treibstoff zunächst durch Rohre geleitet, die an die Außenseite der Düse geschweißt oder gelötet werden. Doch diese Methode erzeugt zusätzliches Gewicht sowie einen komplizierten und kostenintensiven Fertigungsprozess. Fletcher sagt: „Mit der additiven Fertigung ist es viel einfacher, die komplexe Geometrie der Kühlkanäle herzustellen.“ Giles ergänzt: „Sie ermöglicht auch eine einfachere Entwicklung zu geringeren Kosten. Statt in einer Reihe von Bauteilen, die mit Dichtungen und Schrauben zusammengesetzt sind, können wir die Einheit nun in einem Stück herstellen.“ Weniger Bauteile heißt leichtere Produkte, bessere Leistung und weniger Schwachstellen für mögliche Ausfälle.

Oerlikon hat für die Prototypen seine eigenen Anlagen verwendet. Noch wichtiger: Dank ihrer umfassenden Kenntnisse über die verwendeten Werkstoffe konnte Oerlikon Legierungen mit der erforderlichen Stärke und den gewünschten Wärmeeigenschaften herstellen. Oerlikon Metco und Oerlikon Balzers sorgten darüber hinaus mit ihren Beschichtungen für zusätzliche Widerstandsfähigkeit und Beständigkeit.

Zusammenarbeit für disruptive Innovationen

Die Verbindung von LENA Space und Oerlikon fußt auf der Bekanntschaft von Fletcher und Giles mit Dan Johns, dem Chief Technology Officer von Oerlikon AM. Kennengelernt hatten sie sich bei einem Projekt für Überschallflugzeuge. „Dan hat uns die Möglichkeiten der additiven Fertigung aufgezeigt“, sagt Fletcher. „Er erklärte uns, wie und wann diese Technologie genutzt werden kann.“ Nicht minder entscheidend: „Die vielfältigen Kompetenzen von Oerlikon haben uns wirklich beeindruckt.“

Die Kooperation mit Oerlikon hat LENAs Entwicklungen beschleunigt. Die Möglichkeit, Werkstoffe und Fertigung aus einer Hand zu beziehen, vereinfachte zusätzlich die Beschaffungskette. Giles sagt: „Wir konnten uns auf unsere Stärken konzentrieren, und Oerlikon konnte ihre Stärken einbringen.“

Dans Johns von Oerlikon AM wiederum hat festgestellt: „Durch die Zusammenarbeit mit LENA Space können wir äußerst schwierige technische Herausforderungen meistern, indem wir die Kompetenzen von Oerlikon AM, Oerlikon Metco und Oerlikon Balzers zusammenbringen. Die Marken arbeiten gemeinsam an Innovationen, dadurch lernen wir schneller und spornen uns gegenseitig an, in neuen Dimensionen zu denken.“

LENA Space, so Johns, sei ein „hervorragendes Beispiel für unser Konzept der offenen Zusammenarbeit, mit dem wir erfolgreich konventionelle Denkweisen durchbrechen. Nie habe ich jemanden sagen hören: ‚Das haben wir schon versucht, aber es hat nicht funktioniert.’ Disruptive Innovation zu begrüßen, ist eine Herausforderung, sie zu erreichen, ist eine andere. Diese Zusammenarbeit zeigt, dass wir beides schaffen.“

Auf ein Unternehmen wie LENA bezogen hat das eine verheißungsvolle Bedeutung. Von nun an ist nicht mehr der Himmel die Grenze, sondern der Weltraum.

 

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