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Billiger, leichter, stärker – Raketen-Antriebe aus dem 3D-Drucker

Gedruckte Triebwerke für Raketen sollen billiger, leichter und leistungsstärker sein. Dazu kommen neue Freiheiten beim Design.

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Rocket Lab setzt seine 3D-gedruckten Rutherford-Triebwerke bereits bei Raketenstarts ein. Das Bild zeigt einen Start der Electron-Rakete in Neuseeland vergangenen Dezember.

(Bild: Brady Kenniston/Rocket Lab)

Der weltgrößte 3D-Drucker für Metall heißt Stargate. Er steht in Los Angeles und stellt Raketentriebwerke und andere Raketenteile her. Bereits kommendes Jahr möchte die Betreiberfirma Relativity Space den Jungfernflug ihrer Rakete Terran 1 starten. Das ist ein Jahr früher, als ursprünglich geplant. Möglich macht das nicht zuletzt der 3D-Druck.

Verglichen mit herkömmlicher Herstellung habe der 3D-Druck die Zahl der Bauteile um 99 Prozent reduziert, sagte Materialentwickler Sam Tonneslan von Relativity Space auf der Konferenz Space Access 2019 am Donnerstag in Kalifornien. Das Triebwerk stamme zur Gänze aus dem 3D-Drucker, wobei Relativity auf Selektives Lasersintern (SLS) setzt. "Jede Woche bekommen wir neue Metalllegierungen herein. In 60 Tagen machen wir aus dem Rohmaterial ein fertiges Triebwerk", das dann getestet werden kann, erzählt Tonneslan. Mehr als 120 Tests hat seine Firma bereits durchgeführt.

ARC-CEO Andy Kieatiwong zeigt eine 3D-gedruckte Brennstoffkammer für ein Triebwerk mit 2.2 Kilonewton Schubkraft.

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Auf der Space Access 2019 sind noch weitere 3D-Drucker aus der jungen kommerziellen Raumfahrtbranche vertreten, darunter die kalifornischen Firmen Rocket Lab, die ihr 3D-gedrucktes Triebwerk Rutherford bereits bei Raketenstarts einsetzt, und Additive Rocket Corporation (ARC). Beide setzen Selektives Laserschmelzen (SLM) ein. "3D-Druck ist deutlich schneller und viel günstiger, solange es nicht um Massenproduktion geht", erklärt ARC-Mitgründer Andy Kieatiwong im Gespräch mit heise online, "Gleichzeitig können wir die Zahl der Bauteile erheblich reduzieren." Bei herkömmlicher Produktion müssten komplexe Strukturen in Einzelteilen gefertigt und dann zusammengesetzt werden.

Noch wichtiger ist für Kieatiwong aber die gewonnene Freiheit beim Design der Triebwerke. "3D-Druck erlaubt, alles auszuprobieren, was Sie oder Ihr Computer sich ausdenken können", sagt Kieatiwong, der seit 2015 in San Diego an 3D-gedruckten Triebwerken arbeitet. "Und weil Sie es dann gleich drucken und ausprobieren können, geht bei der Entwicklung schnell etwas weiter."

Zu Anschauungszwecken hat Kieatiwong eine Einspritzplatte etwas größer und aus transparentem Kunststoff gedruckt und mitgebracht: "Sehen Sie die Treibstoffkanülen? Die könnten wir ohne 3D-Druck so nicht anfertigen." Normalerweise verschmilzt ARC natürlich keinen Kunststoff, sondern Inconel, eine Nickel-Superlegierung. "Wir können aber auch Stahl, Titan oder Aluminium verarbeiten, um nur einige zu nennen", sagt der Luft- und Raumfahrtingenieur.

Links die Brennstoffkammer mit aufgesetzter Einspritzplatte, rechts zur Anschauung ein Kunststoffmodell der Einspritzplatte. Zu erkennen sind die Treibstoffkanülen im Inneren der Einspritzplatte.

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Seinen Angaben zufolge hat ARC es geschafft, das Triebwerksgewicht zu halbieren und gleichzeitig die Leistung zu steigern. "Wir können den Druckabfall im Inneren deutlich reduzieren. Damit müssen wir von vornherein weniger Energie zuführen, womit das Material weniger beansprucht wird. Das erlaubt uns, das Triebwerk kleiner und leichter zu machen."

ARC baut selbst keine kompletten Raketen, sondern konzentriert sich auf die Entwicklung von Flüssigtreibstoffantrieben und deren Druck für Betreiber kleinerer Raketen. Derzeit liefert ARC nur Brennkammern, bald sollen weitere Bauteile dazukommen. Noch dieses Jahr wollen zwei ARC-Kunden ihre Raketen starten – der Markt für kleine Satelliten in erdnahem Orbit (LEO) boomt.

Doch auch andere Märkte schließt der ARC-Chef nicht aus. Er habe bereits Kontakt zu einem Rennmotorradhersteller, der sich für 3D-gedruckte Kühler interessiere. Andere 3D-Druck-Firmen könnten sich beispielsweise auf so genannte Legacy Parts, also nicht mehr lieferbare Ersatzteile für alte Maschinen, Oldtimer-Fahrzeuge und militärisches Gerät spezialisieren: "Wenn das zu ersetzende Modul noch vorhanden ist, kann man mit einem hochauflösenden 3D-Scan und einem 3D-Metalldrucker schon weit kommen", versicherte Kieatiwong.

Rocket-Lab-Aufnahmen aus Neuseeland (14 Bilder)

Die Electron im Hangar
(Bild: Rocket Lab)

(ds)