ESA

Durch die Reduzierung der Masse der Raketenstufen hofft die ESA, die Leistung der Nutzlast in die Umlaufbahn zu steigern. Das ist das Ziel eines Programms namens PHOEBUS (Prototype of a Highly Optimized Black Upper Stage), das darauf abzielt, Oberstufentanks und -strukturen aus Kohlefaser herzustellen. Nach Abschluss der vorläufigen Entwurfsprüfung des Projekts hat die ESA nun den Hauptauftragnehmer ArianeGroup mit dem Bau eines vollwertigen Demonstrators für die Oberstufe beauftragt.

Die 50-Millionen-Euro-Vereinbarung – eine Ergänzung zu einem früheren Vertrag für Designstudien – wird die Machbarkeit und Vorteile von Kohlefasertanks und -strukturen für kryogene Wasserstoff- und Sauerstofftreibstoffe mit hohem Impuls demonstrieren. Die Vereinbarung wurde in Bremen, Deutschland, vom ESA-Chef für künftigen Raumtransport Rüdeger Albat im Namen von ESA-Direktor für Raumtransport Daniel Neuenschwander und Karl-Heinz Servos, Leiter der Industriedirektion der ArianeGroup, unterzeichnet.

Diese sogenannten „schwarzen Stufen“ – benannt nach der charakteristischen Farbe von Kohlefaserstrukturen – könnten ein Merkmal zukünftiger europäischer Raketen werden. Die Gewichtsreduzierung einer Phoebus-Bühne könnte die Nutzlastleistung um bis zu 2 Tonnen steigern – mit dem zusätzlichen Vorteil niedrigerer Produktionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Metallstrukturen.

Phoebus ist auch ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu wiederverwendbaren Oberstufen, die ultraleichte Tanks für grüne Treibstoffe erfordern.

Bisherige Arbeiten haben gezeigt, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe für die Tanks verwendet werden können, die für den Umgang mit kryogenem Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich sind. Kohlenstoffverbundwerkstoffe können mit Sauerstoff chemisch sehr reaktiv sein, was eine sorgfältige Auswahl der Harze und Fasermaterialien erfordert, aus denen diese starken, aber leichten Strukturen bestehen.

Durch den Ersatz von Metall durch Kohlenstoffverbundwerkstoffe wird die Masse der Oberstufe reduziert und somit die Nutzlastleistung gesteigert. Diese Materialien werden auch den Weg für innovative neue Designs für Tanks und Strukturen ebnen.

Albat sagte: „Phoebus verspricht erhebliche Kosten-, Nachhaltigkeits- und Leistungssteigerungen. Diese Arbeit könnte auch Nebenvorteile in anderen Luft- und Raumfahrtanwendungen bringen – zum Beispiel in Flugzeugen, wo Wasserstofftreibstoff eines Tages erhebliche Vorteile für die Umwelt bringen könnte.“

ArianeGroup hat eng mit MT Aerospace zusammengearbeitet, um Design- und Fertigungstechnologien zu entwickeln, die für die Realisierung von Kryotanks und angrenzenden Strukturen aus Kohlefaser erforderlich sind. MT Aerospace hat in Augsburg die Kapazität zur Herstellung von Carbonfaserstrukturen und Tanks mit einem Durchmesser von bis zu 3,5 m aufgebaut.

Das DLR-Luft- und Raumfahrtinstitut wird in seinem Testzentrum in Lampoldshausen die Leistungsbewertung des Phoebus-Demonstrators mit kryogenem Wasserstoff und Sauerstoff durchführen.

Das Phoebus-Projekt ist Teil des Future Launchers Preparatory Program der ESA-Direktion für Raumtransport.

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