Faserverstärkter Kunststoff für Raketenbau

Forschung

27.2.2019

Nirgends ist Gewichtsersparnis so kritisch wie in der Raumfahrt. Für die 23. REXUS-Raketenmission hat ein Team der Technischen Universität München (TUM) ein Nutzlastmodul aus faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff entwickelt – 40 Prozent leichter als herkömmliche Module aus Aluminium.

Ralf Engelhardt führt einen Funktionstest am Modul durch. (Bild: A. Heddergott / TUM)

Wenn die Höhenforschungsrakete des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bei der 23. REXUS-Raketenmission Anfang März startet, trägt sie ein besonderes Nutzlastmodul: Ein Team des Lehrstuhls für Carbon Composites der TU München hat ein Modul aus carbonfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff entwickelt.

Im Vergleich zu den bisher genutzten Modulen aus Aluminium spart das neu entwickelte Nutzlastmodul nicht nur 40 Prozent Gewicht ein, es bietet auch fertigungstechnisch besondere Vorteile: Anders als faserverstärkte Duroplaste, die bereits in der Luftfahrt eingesetzt werden, muss es nach der Herstellung nicht erst in einem Autoklaven bei hohen Temperaturen aushärten. Es handelt sich um das erste Modul dieser Art, das in einer Rakete gestartet wird.

Wie aus einem Guss

Im Wesentlichen ist das Nutzlastmodul ein zylindrisches Rohr. An den Enden sind Lasteinleitungsringe integriert. Über sie werden die einzelnen Module miteinander verschraubt. Weil Ring und Zylinder aus demselben thermoplastischen Kunststoff bestehen, können die Verstärkungsfasern beim Aufbau des Zylinders direkt mit den Ringen verschweißt werden.

„Das Zauberwort der Branche heißt ‚in situ Konsolidierung’. Durch das Verschmelzen erhalten wir ein Bauteil wie aus einem Guss, ohne Klebestellen oder Verschraubungen“, erläutert Ralf Engelhardt, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Carbon Composites. „Das spart Zeit, Gewicht und Geld.“

Integrierte Sensoren

Die Fasern zum Aufbau des Zylinders sind in Polyetheretherketon (PEEK) eingebettet. Wickeln und Aufschmelzen erfolgen automatisiert. Sensoren und ihre Anschlüsse können dabei direkt in das Material eingebaut werden.

In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Messsystem- und Sensortechnik der TUM integrierte das Team faseroptische Temperatursensoren, die ein Messgerät der TUM-Ausgründung fos4X ausliest. Während des Fluges können sie damit die thermische Belastung des Nutzlastmoduls in verschiedenen Tiefen des Materials direkt messen.

„Da die optischen Fasern sehr klein sind, ist ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Moduls sehr gering“, sagt Ralf Engelhardt. „Die direkte Integration in das Laminat während der Fertigung eröffnet aber noch viel mehr Möglichkeiten: Neben der Temperaturüberwachung wären auch Dehnungsmessungen denkbar. Damit wäre ein Echtzeit-Monitoring der Belastung des Moduls denkbar.“

Synergien mit der neuen Fakultät für Luftfahrt, Raumfahrt und Geodäsie

Prof. Klaus Drechsler, Leiter des Lehrstuhls, sieht das REXUS-Projekt als Beispiel dafür, wie gut sich die bestehenden und zukünftigen Standorte der neuen Fakultät für Luftfahrt, Raumfahrt und Geodäsie an der TUM ergänzen. So wurde am LCC in Garching das Strukturkonzept erstellt und die Materialcharakterisierung durchgeführt. Die Fertigung fand im „Processing Lab“ der TUM auf dem Ludwig-Bölkow-Campus in Taufkirchen/Ottobrunn statt.

„Für die Studierenden gab es im Projekt die Möglichkeit, einen umfassenden Einblick zu gewinnen – von der Materialwissenschaften über die Prozesstechnologie und die Strukturmechanik bis hin zur Anwendung“, erklärt Drechsler. „Diese anwendungsbezogene und interdisziplinäre Ausbildung streben wir in der neuen Fakultät an, um die Zukunft der Spitzenforschung in Bayern zu sichern und gleichzeitig den Transfer in die industrielle Anwendung zu unterstützen. Neben der exzellenten Infrastruktur hilft uns hier die Nähe und der direkte Austausch mit der Luftfahrtindustrie.“

Mehr Informationen:

Das CFK-Modul mit integrierten Sensoren und Messsystem ist Teil der REXUS Mission XXIII. Das REXUS Programm ermöglicht es Universitäten aus ganz Europa, Experimente auf Höhenforschungsraketen in Kiruna, Schweden, durchzuführen und wird im Rahmen eines bilateralen Abkommens zwischen DLR und dem Swedish National Space Board realisiert.
Die Tests zur Qualifizierung des Moduls für den Flug wurden am Zentrum für angewandte Raumfahrtforschung und Mikrogravitation (ZARM), am Institut für Leichtbau der Universität der Bundeswehr und am Zentrum für Leichtbau und Produktionstechnologie des DLR durchgeführt.
Website der Rexus- und Bexus-Missionen: rexusbexus.net
Website des Projekts: www.tesos-rexus.de