Quelle: Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, 16. August 2024.

16. August 2024 – Forschende am Freiburger Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik EMI haben den kleinen Satelliten federführend entwickelt. Sie werden die rund dreijährige Mission betreuen. Förderer des Forschungsprojektes ist das Bundesamt für Ausrüstung, Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr (BAAINBw).

»Für Fraunhofer ist ERNST ein großer Meilenstein in der Raumfahrtforschung. Mit ihm können wir verschiedene eigene Innovationen im Weltraum testen und wertvolle Erkenntnisse für weitere Projekte sammeln. Mit an Bord ist unter anderem eine leistungsstarke Infrarot-Kamera, die die Wärmeabstrahlung von startenden Raketen erfassen kann«, erläutert Prof. Dr. Frank Schäfer, Leiter des Geschäftsfeldes Raumfahrt am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik EMI. »Raketen frühzeitig erkennen zu können, ist für die Sicherheit der Bundesrepublik wichtig«, fügt er hinzu.

Dabei ist ERNST kein operationelles System und auch nicht vergleichbar mit aktiven operationellen Bundeswehrsatelliten. ERNST ist ein Technologiedemonstrator.

Große Technologien auf kleinem Raum
Trotz großer Forschungsaufgaben ist ERNST ein Winzling. Er ist klein wie ein Schuhkarton, verfügt jedoch über zahlreiche technologische Innovationen. Für seine Hauptaufgabe ist er mit einer hochempfindlichen Infrarotkamera ausgestattet. Sie muss auf minus 160 Grad Celsius gekühlt werden, um optimale Bilder zu liefern. Außerdem sind eine optische Kamera zur Erdbeobachtung im sichtbaren Spektralbereich und ein vom Fraunhofer INT aus Euskirchen entwickelter Strahlungsdetektor an Bord. Der Detektor misst hochenergetische Weltraumstrahlung und hilft damit, deren Einfluss auf die Elektronik von Kleinsatelliten zu untersuchen. Weitere neue Technologien sind die 3D-gedruckte Halterung für die Kamerakomponenten aus Metall, eine Datenverarbeitungseinheit, auf der Satellitenaufnahmen auch mit künstlicher Intelligenz ausgewertet werden können und ein entfaltbares Bremssegel. Das Segel sorgt dafür, dass ERNST am Ende seiner Mission schneller in die Atmosphäre eintritt und dort verglüht. So wird Weltraumschrott vermieden und der Orbit nachhaltig genutzt.

Die Satellitenplattform könnte sowohl für militärische als auch für zivile Forschungsaufgaben wertvolle Ergebnisse liefern. »Denkbar ist beispielsweise, dass wir ERNST in Zukunft auch nutzen, um Waldbrände frühzeitig zu erkennen«, so Schäfer.

ERNST ist der erste Kleinsatellit der Fraunhofer-Gesellschaft. Entwickelt wurde er unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik EMI in Freiburg. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT und das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB.

Bisher ist Deutschland auf dem globalen Markt für Satelliten kaum vertreten: Im vergangenen Jahr kamen nur fünf von über 2500 gestarteten Satelliten aus Deutschland. Der überwiegende Anteil der Satelliten fällt in die Größenklasse der Kleinsatelliten. Die in Freiburg entwickelte Satellitenplattform hilft somit auch deutschen Unternehmen, ihre Technologien und Sensoren ins All zu bringen.

ERNST steht für »Experimentelle Raumfahrtanwendung basierend auf Nanosatelliten-Technologie«.

ERNST im Detail

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• Transporter-11 auf Falcon-9

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Quelle: Constructor University 30. Mai 2024.

30. Mai 2024 – Das Team will den von ihnen entwickelten weltgrößten Delta-3D-Drucker für Bauteile der Raumfahrtindustrie nutzen – und gleichzeitig einen 3D-Drucker für Anwendungen im Weltall fertigen.

Der Raumfahrtinkubator „ESA BIC Northern Germany“ mit Sitz in Bremen unterstützt Startups bis zu zwei Jahre in ihrem Geschäftsaufbau, sowohl mit maßgeschneiderten Trainings als auch mit einer finanziellen Förderung in Höhe von 50.000 Euro. „Der Inkubator ermöglicht es uns, auch in der Raumfahrt mit ihren spezifischen Anforderungen zu wachsen und unsere Technologie weiterzuentwickeln“, sagt Uygun.

Der großformatige 3D-Druck ist ein Paradebeispiel dafür, wie aus der Grundlagenforschung industrielle Anwendungen entstehen können. Mit einem Druckbereich von bis zu 1,5 Metern im Radius und einer Druckhöhe von mittlerweile bis zu 3 Metern hat die Forschungsgruppe den Drucker zunächst mit Eigenmitteln entwickelt. Dann förderte die Kieserling-Stiftung das Projekt. Anschließend wurde es mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des EXIST-Programms, das Unternehmensgründungen aus der Wissenschaft unterstützt, fortgeführt. Im Rahmen des Bremer 3D-Ideenpreises wurde der Drucker als herausragende Innovation in der additiven Fertigung gewürdigt.

Viele Bauteile in der Raumfahrt sind Einzel- und Sonderanfertigungen oder werden nur in kleinen Stückzahlen hergestellt. Uygun und sein Partner Serkan Özkan sind davon überzeugt, das bestimmte Ausrüstungsgegenstände in der Raumfahrt bedarfsgerechter, schneller, kostengünstiger und gewichtsoptimierter per 3D-Druck hergestellt werden können als durch herkömmliche Verfahren. Ihren bestehenden Drucker wollen sie weiterentwickeln, etwa durch die Nutzung neuer Werkstoffe wie Karbonfasern oder Hochleistungskunststoffen, die auch bei Temperaturen von weit mehr als 300 Grad Celsius nicht schmelzen. Der Druckbereich soll bis auf 24 Kubikmeter wachsen. „Damit“, meint Uygun, „könnte man schon ein Auto drucken.“

Das Startup arbeitet auch an einem innovativen kleinformatigen Drucker auf einer rotierenden Achse, der im All eingesetzt werden kann. Klassische 3D-Drucker nutzen die Schwerkraft, um ein Teil Schicht für Schicht zu drucken. In der Schwerelosigkeit funktioniert dieses Prinzip nicht. Eine erste Raumfahrtbehörde hat bereits Interesse gezeigt. Schon im kommenden Jahr könnte das Gerät im Weltall erprobt werden. „Wenn der Drucker sich im All bewährt, werden sich auch auf der Erde neue Geschäftsfelder erschließen“, meint Uygun, der als Research Affiliate auch mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA verbunden ist.

Von den Innovationen und den Erfahrungen im Inkubator werden auch seine Studierenden profitieren. „Wir binden unsere aktuellen Forschungsergebnisse immer in die Lehre mit ein und diskutieren die Ergebnisse mit den Studierenden“, so Uygun. „Lehre und Forschung gehen Hand in Hand.“ Auch an NebulaForm sind zwei Studierende, Altin Loshi und Idriz Pelaj aus dem Studiengang Robotics and Intelligent Systems, beteiligt.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: TU Berlin 11. April 2024.

11. April 2024 – Der Start wird voraussichtlich Ende 2026 stattfinden. Dann fliegt ein von der TU Berlin und dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) entwickeltes System für das Laserschmelzen von Mondstaub, dem sogenannten Regolith, für erste Tests auf den Mond. Dazu hat jetzt das LZH als Konsortialführer des Projekts einen Vertrag mit dem Raumfahrtunternehmen Astrobotic geschlossen. Vision des Projekts „MOONRISE“ ist es, zukünftig Infrastrukturen auf dem Mond mit den dort verfügbaren Materialien herstellen zu können. Landeplätze, Straßen oder Gebäude aus Mondstaub vor Ort anzufertigen, würde enorme Transportkosten sparen, denn der Transport von Material von der Erde auf den Mond ist mit Kosten von bis zu einer Million Dollar pro Kilogramm sehr kostspielig.

„Ich freue mich, unsere Partnerschaft mit Astrobotic, einem wichtigen Akteur in der Weltraumtechnologie, bekannt zu geben. Gemeinsam können wir dieses innovative Projekt jetzt im wahrsten Sinne des Wortes zum Abheben bringen“, sagt Dr. Dietmar Kracht, Geschäftsführender Vorstand des LZH. Astrobotic ist ein US-amerikanisches Mondlogistikunternehmen, das den Transport von Nutzlasten zum Mond anbietet, sowohl für kommerzielle als auch für wissenschaftliche Zwecke. Das Unternehmen erhielt im Rahmen eines Vergabeverfahrens den Zuschlag für sein Angebot.

Künstliche Intelligenz (KI) hilft beim Laserschmelzen
Der Lander von Astrobotic soll – neben anderen Nutzlasten von weiteren Auftraggeber*innen – mit einem kompakten, robusten Laser ausgestattet werden, der am LZH entwickelt wird. Dieser Laser wird den Mondstaub schmelzen und so 2D-Strukturen auf der Mondoberfläche erzeugen, ein erster Test für den später anvisierten 3D-Druck. Eine Kamera wird den Prozess erfassen und es den Forscher*innen auf der Erde ermöglichen, ihn durch ein intelligentes Bildverarbeitungssystem zu analysieren. „Künstliche Intelligenz wird uns nicht nur dabei helfen, einen geeigneten Ort auf der Mondoberfläche für das Laserschmelzen zu finden. Sie soll außerdem während des Experiments eine Qualitätskontrolle der gedruckten Strukturen ermöglichen“, sagt Benedict Grefen von der Arbeitsgruppe „Exploration und Antriebe“ im Fachgebiet Raumfahrttechnik (RFT) der TU Berlin.

Baukasten mit verschieden zusammengesetztem Mondstaub
Dazu gehört auch ein Regolith-Baukasten, der an der TU Berlin entwickelt wurde und es ermöglicht, die in Frage kommenden Landestellen von den Eigenschaften her präzise nachzustellen. „Der Regolith-Simulat wird dann an den finalen Landeplatz auf dem Mond angepasst, sodass im Labor der Laserprozess auf die reale Mondmission hin optimiert werden kann“, erklärt Grefen, der das Projekt auf der Seite der TU Berlin leitet. Parallel werden mit einem „Oberflächenanalogmodell“ Trainingsdaten für die KI generiert. Dieses Modell wird dann auch während der Mission die Entscheidungen unterstützen. Ziel ist ein „Proof of Concept“, dass Laserschmelzen auf dem Mond möglich ist.

Förderung in Höhe von 4,75 Millionen Euro
„Das MOONRISE-Team testet eine Schlüsseltechnologie für künftige Aktivitäten auf dem Mond, und wir sind dankbar, dass wir im Wettbewerb für den Transport ihrer Nutzlast ausgewählt wurden. MOONRISE ist ein großartiges Beispiel für die Art von neuen Ideen, neuen wissenschaftlichen Demonstrationen und neuen Ländern, die unsere Lander-Transportdienste nutzen können, um ihre eigenen geplanten Beiträge zur aufstrebenden lunaren Wirtschaft voranzutreiben“, sagt Dan Hendrickson, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Astrobotic.

Das Projekt wird gefördert durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz in Höhe von 4,75 Millionen Euro. Projektpartner sind das LZH und die TU Berlin.

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• Astrobotic Technology

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Quelle: DCUBED / B2P Communications Consulting GmbH Berlin/München 19. Dezember 2023.

München, 19. Dezember 2023: Der deutsche NewSpace-Hardware Hersteller DCUBED und die Hochschule München haben den Zuwendungsbescheid für die Förderung eines gemeinsamen Forschungsprojekts durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie erhalten. Die Förderung erfolgt im Rahmen des Bayerischen Raumfahrtforschungsprogramms, mit dem die Staatsregierung die Entwicklung von Raumfahrttechnologien zur Bewältigung künftiger gesellschaftlicher Herausforderungen unterstützt. Das Gesamtvolumen des Projekts beläuft sich auf mehr als eine Million US-Dollar, wovon der Freistaat nahezu zwei Drittel übernimmt.

Ziel des zweijährigen Projektes, das zum Januar 2024 startet, ist die praktische Erforschung und Weiterentwicklung von Technologien zur Produktion im All (In-Space Manufacturing, ISM). Die weltweit erste Demonstration dieser Methode im offenen All führt DCUBED bereits 2024 durch. 2025 sollen dann weitere Tests helfen, die Technologie bis zur marktreifen Einsatzfähigkeit weiterzuentwickeln.

Die erste Anwendung der Technologie liegt darin, die Haltestrukturen von SatellitenSolarpaneelen erst im All per 3D-Druck aus Photopolymer zu fertigen. Heute werden diese bereits auf der Erde vorgefertigt und verbaut, was unter anderem einen komplexen Entfaltungs-Mechanismus erfordert, der auch den großen Belastungen eines Raketenstarts standhalten muss. Per ISM gedruckte Paneele sind im Vergleich nicht nur leichter, simpler, und dadurch weniger fehleranfällig, sondern vor allem auch wesentlich günstiger und leistungsfähiger als heutige Lösungen.

Die so gesteigerte Verfügbarkeit von Energie im All ermöglicht es, Satelliten künftig mit deutlich höherer Rechenleistung auszustatten und auch die Übertragungsraten von Daten zur Erde erheblich zu steigern. Längerfristig ebnen die Erkenntnisse aus dem aktuellen Forschungsprojekt zudem den Weg, künftig auch deutlich größere Strukturen und Produkte im All fertigen zu können und so ganz neue Potentiale des Weltraums für Wirtschaft und Forschung zu erschließen.

Dr. Thomas Sinn, CEO & Founder, DCUBED: „Die Unterstützung durch die bayerische Regierung umfasst die höchste Fördersumme, die wir bisher für diese Technologie erhalten haben: Das ist eine große Bestätigung für unsere Fähigkeiten. Auf dieser Basis streben wir etwas an was noch nie gemacht wurde: Wir wollen als erste zeigen, dass die Fertigung von Strukturen direkt im All möglich ist. Und wir wollen als erste die Fertigungskapazitäten im All zur Marktreife entwickeln.“

Prof. Markus Pietras, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, Hochschule für angewandte Wissenschaften München: „Wir freuen uns darauf, unsere bereits erprobte Partnerschaft mit DCUBED noch weiter zu intensivieren. Zusammen leisten wir wahre Pionierarbeit: Die Fähigkeit zur Produktion im Weltall wird uns ganz neue Potentiale für Wirtschaft und Wissenschaft eröffnen. Das erlaubt uns, auf der Erde künftig noch viel stärker von Technologien aus dem All zu profitieren.“

Dietmar Schneyer, Leiter des Referats Luft- und Raumfahrt, Mobilität im Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie: „Die Förderung innovativer Technologien im Bereich der Raumfahrt ist ein wichtiger Schritt, um Bayern als Standort für Hochtechnologie weiter zu stärken. Das Engagement von DCUBED und der Hochschule München im Bereich des In-Space Manufacturing ist ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie Forschung und Industrie gemeinsam die Grenzen des Möglichen erweitern können.“

DCUBED und die Hochschule München arbeiten zum Thema In-Space Manufacturing bereits seit 2019 zusammen. So unterstützt DCUBED die Forschung mit Mitarbeitern und Materialausgaben und finanziert eine Promotionsarbeit zu dem Thema.

Über DCUBED:
DCUBED, ein NewSpace-Unternehmen mit Sitz bei München, ermöglicht Missionen im All durch die Entwicklung von langlebigen und erschwinglichen Auslösevorrichtungen, Solarpaneelen und entfaltbaren Elementen. Mit 15 erfolgreichen Produkten im Weltraum bedient das Unternehmen einen weltweiten Kundenstamm in 17 Ländern auf 4 Kontinenten. DCUBED ist weltweit führend im Bereich in-Space-Manufacturing und wird 2024 die weltweit erste Demonstration von 3D-Druck im offenen All durchführen. Neben seinem deutschen Hauptsitz will DCUBED 2024 zudem einen weiteren Standort im US-amerikanischen Broomfield, Colorado, eröffnen, um sich noch stärker im schnell wachsenden NewSpace-Markt zu verankern und auf beiden Seiten des Atlantiks präsent zu sein.

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• DCUBED (Deployables Cubed GmbH)

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Quelle: TU Clausthal 12. Oktober 2023.

12. Oktober 2023 – Eine Gemeinschaftsstudie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der Technischen Universität Clausthal und der Hochschule Aalen, die am heutigen 12. Oktober 2023 in der angesehenen Fachzeitschrift Springer Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde, offenbart faszinierende Perspektiven: Mithilfe innovativer 3D-Drucktechnologie und Mondstaub könnte die Errichtung von Straßen und Landeplätzen auf dem Erdtrabanten in greifbare Nähe rücken. Dies eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für den Aufbau zukünftiger Mondbasen.

Mondstaub stellt, wenn aufgewirbelt, eine erhebliche Herausforderung für Mondmissionen dar: Aufgrund der geringen Schwerkraft auf dem Erdtrabanten neigt er dazu, lange zu schweben und kann so Maschinen, Geräte und Ausrüstungen beschädigen. Dauerhafte Mondbasen sind daher auf feste Infrastrukturen, Straßen und Landeplätze angewiesen, um das Staubproblem zu minimieren.

Allerdings wäre es äußerst aufwendig und damit extrem kostspielig, hierfür extra Baumaterial von der Erde zum Mond zu transportieren. Viel vorteilhafter wäre es, den feinen Staub zu nutzen, der zuhauf vor Ort vorhanden ist und den Mond in einer mehreren Meter dicken Schicht bedeckt.

Baumaterial Mondstaub
Genau hier setzt die aktuelle Studie an. Die Autorinnen und Autoren experimentierten mit Laserstrahlen unterschiedlicher Stärke und Größe (bis 100 mm Durchmesser und 12 Kilowatt Leistung), um Mondstaub in ein robustes Baumaterial zu verwandeln. Dafür verwendeten sie ein feinkörniges Material (EAC-1A), welches von der European Space Agency (ESA) offiziell als Äquivalent für Mondstaub deklariert wird.

Die großen Brennflecken des Lasers ermöglichen eine hohe Geschwindigkeit beim Schmelzen des Materials zu festen, flächendeckenden Strukturen, was für den Bau von Straßen und Landeplätzen essenziell wäre. Bei den Versuchen stellte sich jedoch heraus, dass bei einem Überlappen der Laserstrahlen die enorme Energiedichte zu hohen Temperaturunterschieden und Spannungen im Material und folglich zu Rissen führt.

Aus diesem Grund entwickelte das interdisziplinär zusammengesetzte Team dreieckige, geometrische Formen mit einer Öffnung in der Mitte, bei denen sich die Laserspuren beim Druck nicht überlappen. Das Ergebnis: „Pflastersteine“, die perfekt ineinandergreifen und so eine solide Oberfläche bilden.

Sonnenlicht statt Laser
Auf dem Mond könnte der Laser, der mit über einer Tonne Gewicht zu schwer für einen Transport zum Mond wäre, durch eine hochbrechende Linse von mehreren Quadratmetern ersetzt werden. Sie könnte das Sonnenlicht so bündeln, dass es die Intensität des Lasers ersetzt. Ein solche Linse auf Folienbasis („Fresnel-Linse“) würde weniger als zehn Kilogramm wiegen und ließe sich somit leicht zum Mond transportieren.

Entsprechend stolz ist Jens Günster, Projektkoordinator und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM: „Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial, das in der additiven Fertigung steckt. Sie bringen uns einen bedeutenden Schritt näher zum Aufbau einer verlässlichen Infrastruktur auf dem Mond, wie sie die europäische Raumfahrtorganisation ESA plant.“

Publikation:
Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon
https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1.pdf

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: DLR 12. September 2023.

Am 12. September 2023 ist es (mal) wieder so weit: Der Airbus A310 der Firma Novespace ist um 9:00 Uhr vom Flughafen Bordeaux-Mérignac aus gestartet, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit ihren Experimenten in die Schwerelosigkeit zu bringen. Es ist der erste von insgesamt drei Flügen in der 41. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die vom 4. bis zum 15. September 2023 in Bordeaux stattfindet. An Bord sind elf Experimente – fünf aus den Bereichen Biologie und Lebenswissenschaften, eins aus der Biotechnologie sowie drei aus der Grundlagenphysik, eins aus den Materialwissenschaften und eins aus dem Bereich Technologie.

Mit an Bord: ein deutsch-japanisches Experiment
„Mit an Bord der 41. Kampagne ist dieses Mal auch ein ganz besonderes Experiment: Denn wir haben ein Team aus Japan mit dabei, das gemeinsam mit einem deutschen Team der Planetenentstehung auf den Grund geht. Wir freuen uns sehr, dass unsere Flüge in die Schwerelosigkeit immer internationaler werden und auch Teams aus fernen Ländern die Chance ergreifen, ihre Experimente, in Kooperation mit deutschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, bei uns in die Schwerelosigkeit zu bringen“, freut sich Dr. Katrin Stang, Parabelflug-Programmleiterin bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, auf die anstehenden Flugtage. Das besagte deutsch-japanische Experiment „ice-DUST“ ist eines von drei neuen Experimenten und untersucht, wie sich Eis-Nanopartikel und Wassermoleküle zu immer größeren Staubpartikeln verklumpen, deren Entstehung dann letzten Endes zum Verständnis der Planetenentstehung beiträgt. Das ebenfalls neue Experiment „DALERA“ testet eine neue 3D-Bioprinting-Methode in Schwerelosigkeit für die medizinische und auch für die nichtmedizinische Anwendung. Das „Tears in Heaven“-Experiment untersucht, ob Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche in Schwerelosigkeit zulassen.

Reserveastronautinnen bekommen Vorgeschmack auf Experimentieren in Schwerelosigkeit
Zwei Experimente haben auf dieser Kampagne zudem ein prominentes Teammitglied: Die deutsche ESA-Reserveastronautin Amelie Schoenenwald wird den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Experiment „TRANSEUGRA“ zur Seite stehen, um mehr über diese besonderen Einzeller in Erfahrung zu bringen. Die andere deutsche ESA-Reserveastronautin Nicola Winter wird beim „SCARLETT“-Experiment unterstützen und damit dazu beitragen, das Abrutschen eines Hügels, Berges oder Kraters auf einer simulierten Marsoberfläche zu untersuchen. So können die beiden schon einmal für einen möglichen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS im freien Fall experimentieren und so einen Vorgeschmack auf die Arbeit in Schwerelosigkeit bekommen.

Ice-DUST – Wie Planeten aus Eis und Staub entstehen
In den Tiefen des Weltalls entsteht in kalten Molekülwolken auf den Oberflächen kosmischer Staubpartikel Wassereis. Kommt es darüber hinaus zur Bildung weiterer Moleküle, dann scheiden sich diese hauptsächlich auf den Eisoberflächen ab. Wenn sich später eine protoplanetare Scheibe und schließlich ein neues Planetensystem aus dieser Molekülwolke bildet, erhöht sich die Temperatur zuerst, bevor die protoplanetare Scheibe wieder abkühlt. Dadurch verdampft das Eis zunächst, ehe die Wassermoleküle sich auf den Staubteilchen wieder abscheiden. Die Sublimation findet im thermischen Gleichgewicht statt, während die Kondensation als Nicht-Gleichgewichts-Prozess abläuft und die Keimbildung miteinschließt. Daher sind theoretische Vorhersagen über die Bildung von Eispartikeln in jungen Planetensystemen schwierig und die Temperatur- und Dichtebedingungen für sublimiertes Eis, das den Staub wieder bedeckt, sind nicht eindeutig. Das deutsch-japanische Forscherteam der Technischen Universität Braunschweig will im Parabelflug durch Keimbildungsexperimente an Mineralstaub die wichtigsten physikalischen Größen wie freie Oberflächenenergie und Haftwahrscheinlichkeit von Eis-Nanopartikeln in der tatsächlichen Partikelgröße im Nanometerbereich und unter realistischen Temperatur- und Druckbedingungen bestimmen, um mehr über die Entstehung von Planeten zu erfahren.

DALERA – 3D-Bioprinting in Schwerelosigkeit
Wollen wir den Mond und später auch den Mars astronautisch erforschen, muss die Besatzung an Bord von Raumschiffen medizinisch versorgt und gleichzeitig der Betrieb lebenserhaltender Systeme verbessert werden. Für beides zeigt das 3D-Bioprinting – also der 3D-Druck unter Einbeziehung lebender Zellen – großes Potenzial. So können „maßgeschneiderte“ Gewebe für Menschen autark hergestellt werden, um Verletzungen der Besatzung wie zum Beispiel Hautwunden unabhängig von der Erde im Weltraum behandeln zu können. Darüber hinaus kann diese äußerst vielseitige Technologie auch für nichtmedizinische Anwendungen wie die Schaffung von Lebenserhaltungssystemen, die Produktion von Nahrungsmitteln oder zur Arzneimittelsynthese genutzt werden – beispielsweise durch das Biodrucken von Mikroalgen oder Pflanzenzellen. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Parabelflug-Mission sollen helfen, den Einfluss von Schwerelosigkeit auf den Druckprozess des 3D-Bioprintings besser zu verstehen. Das Team von der Technischen Universität/Uniklinikum Dresden will mit DALERA Experimente an Bord der Internationalen Raumstation ISS vorbereiten, auf der bis Ende 2026 ein 3D-Biodrucker von der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Forschungszwecke installiert werden soll.

Tears in Heaven – Wie Tränen in Schwerelosigkeit richtig (ab)fließen
Astronautinnen und Astronauten sind in der Schwerelosigkeit besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die sich auf ihre alltägliche Arbeit an Bord der Raumstation auswirken können. So treten zum Beispiel häufig Probleme mit der Augenoberfläche auf, die aber bisher nicht angemessen untersucht oder behandelt wurden. Zu den Symptomen vom Trockenen Auge gehören Augenreizungen, Überanstrengung der Augen, Fremdkörpergefühl und verschwommenes Sehen. Diese Symptome werden von Astronauten häufig angegeben, wobei über 30 Prozent der Mitglieder von ISS-Crews von Reizungen und Fremdkörpergefühlen berichten. Erste Analysen anhand von Portraitaufnahmen von Astronauten ergaben, dass beispielsweise die Augenbrauenhöhe signifikant in der Mikrogravitation zunimmt. Dies könnte sich negativ auf den Lidschlagprozess auswirken. Dabei ist ein gesunder Tränenfilm – und damit eine klare Sicht – eine der Voraussetzungen für funktionstüchtige Augen und gleichzeitig die Grundlage für ein erfolgreiches Arbeiten innerhalb und vor allem auch außerhalb der ISS. Die Forschungsarbeiten des Teams der Universität des Saarlandes auf der Erde haben gezeigt, dass Messungen des Lidschlages und der Tränenfilmdynamik Rückschlüsse auf den Zustand der Augenoberfläche zulassen. In dieser ersten Phase des Projekts „Tears in Heaven“ wollen sie testen, ob und wie sich Tränenfilm und Lidschlag in der Schwerelosigkeit und der doppelten Schwerkraft untersuchen lassen.

TRANSEUGRA – Wahrnehmung von Licht- und Schwerkraft bei Einzellern
Einzeller – wie zum Beispiel die Süßwasseralge Euglena gracilis – reagieren empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umwelt. „Da sich aus dieser Alge biotechnologisch und medizinisch bedeutsame Substanzen mit breitem Anwendungsspektrum gewinnen lassen und sie daher zunehmend eine wichtige Rolle in der Biotechnologie spielt, wollen wir mehr zu deren Orientierungsverhalten bezüglich Licht und Schwerkraft herausfinden. Nur so kann die Massenproduktion dieser Alge in Zukunft weiter verbessert werden. Da ich mich schon während meines Studiums für Astrobiologie interessiert habe, freue ich mich jetzt besonders darauf, einmal selbst in Schwerelosigkeit Hand anlegen zu können. Das geht nur im Parabelflug oder auf der ISS“, erklärt Amelie Schoenenwald, die die Universität Erlangen bei ihren Versuchen unterstützt. So schwimmen die Zellen zum Beispiel auf schwache Lichtquellen zu und von starken Lichtquellen weg. Außerdem zeigen sie bei plötzlicher Veränderung der Lichtintensität ein Taumelverhalten. Die Zellen sind zusätzlich in der Lage, Schwerkraft wahrzunehmen und ihr Schwimmverhalten entsprechend auszurichten. Ohne Licht schwimmen die Zellen entgegen der Gravitation nach oben. Da sich die Signalwege der Licht- beziehungsweise Schwerkraftwahrnehmung überschneiden, soll in den Flugexperimenten unter anderem eine mögliche Interaktion untersucht werden. Nur in Schwerelosigkeit lässt sich die Wahrnehmung des Lichts getrennt von der der Beschleunigung untersuchen, da keine Erdanziehungskräfte auf die Zellen mehr wirken.

SCARLETT – Wenn Marshänge im Parabelflug ins Rutschen geraten
Der Mars hat eine extrem dünne Atmosphäre. Herrscht auf der Erde ein Druck von etwa 1.000 Hektopascal, so ist er auf dem Marsboden im Mittel gerade einmal sechs Hektopascal schwach. Dieser geringe Druck hat Folgen: Gas bewegt sich in den Poren von kalten zu warmen Stellen, was als thermisches Kriechen bekannt ist. In unserem Sonnensystem findet man dieses Phänomen nur im Marsboden. „Schon während meines Studiums hat mich interessiert, welchen Gesetzmäßigkeiten die Planeten in unserem Sonnensystem unterworfen sind. Als ich gefragt wurde, ob ich im Parabelflug an einem solchen Experiment mitwirken will, war ich sofort mit dabei. Denn so kann ich mich sehr gut auf einen späteren Einsatz im Weltraum vorbereiten“, sagt Nicola Winter, die in Bordeaux Forscherinnen und Forscher der Universität Duisburg-Essen unterstützt. In SCARLETT wird untersucht, ob und wie der Hang eines Hügels, Berges oder Kraters oberhalb eines bestimmten Neigungswinkels durch thermisches Kriechen abrutscht. Denn auch in Marskratern beziehungsweise auf Marshängen werden diese Hänge oberhalb eines bestimmten Winkels instabil und rutschen ab. Allerdings sind diese Hänge viel flacher als erwartet. Die Forscherinnen und Forscher wollen herausfinden, unter welchen Bedingungen und bei welchem Winkel die Hänge zu rutschen beginnen.

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• Parabelflüge

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Quelle: DCUBED / B2P Communications Consulting GmbH Berlin/München 10. Juli 2023.

München, & Logan, Utah, 8. August 2023: Der deutsche NewSpace-Hardware Hersteller DCUBED plant, im Rahmen einer Demonstrationsmission, die schon für Q1 2024 geplant ist, die Fertigung einer dreidimensionalen Struktur im Weltraum zu demonstrieren. Damit wird zum ersten Mal überhaupt ein Produkt im offenen Weltall hergestellt.

Konkret wird in einem additiven Verfahren – also mit 3D-Druck – eine etwa 30 Zentimeter lange Gitterstruktur hergestellt. Diese Demonstration dient als erster Beweis für die Effizienz und das zukunftsweisende Potential dieser Technologie für die Produktion im All.

Dr. Thomas Sinn, CEO & Gründer, DCUBED: “Hohe Kosten und Gewichtsbeschränkungen beim Transport von Nutzlasten stehen der Verwirklichung des Nutzens von Weltraumtechnologien für die Menschheit im Wege. Gerade Zukunftstechnologien wie satellitengestütztes Internet, Erdbeobachtung oder das ‘Internet der Dinge’ benötigen leistungsfähige – aber voluminöse Infrastruktur im Erdorbit. Die Gründung unseres neuen Kerngeschäftsbereichs zeigt, dass wir bei DCUBED stets die Grenzen des Machbaren ausreizen wollen. So ermöglichen wir unseren Partnern und Kunden im Weltall ohne Grenzen zu denken.
Unsere Technologie-Demonstration verspricht, die Herstellung und Reparatur von Strukturen im Weltall zu revolutionieren und auf einer grundlegenderen Ebene einen Paradigmenwechsel bei unserem Verständnis von Space-Hardware einzuleiten. Viele der Möglichkeiten, die sich langfristig hieraus ergeben, können wir uns heute nicht einmal vorstellen.”

Die anstehende Demonstration markiert einen wichtigen Meilenstein bei DCUBEDs Mission, Fertigungskapazitäten für weitreichendere Weltraumstrukturen zu schaffen. Insbesondere im Hinblick auf Kleinsatelliten will das Unternehmen in den kommenden Jahren umfangreichere in-Orbit Fertigungskapazitäten entwickeln. 2025 soll ein Test zur Herstellung von Gitterstrukturen folgen. Für 2026 ist eine SmallSat Solaranlage mit einer Leistung von mehreren Kilowatt geplant.

Als etablierter Weltraum-Hardwarehersteller mit mehr als 15 Produkten die bereits im Orbit im Einsatz sind, arbeitet DCUBED momentan an der Eröffnung eines zweiten Standortes in Broomfield, Colorado. Der Hauptsitz des Unternehmens liegt weiterhin in Germering bei München. Ziel der Eröffnung des US-Standorts ist eine Verankerung auf dem Weltraummarkt des Landes, das sich schnell zu einem der wichtigsten Schauplätze der Welt für die aufstrebende NewSpace-Industrie entwickelt.

Über DCUBED:
DCUBED (kurz für Deployables Cubed GmbH) ist ein deutsches NewSpace-Unternehmen, das Auslösevorrichtungen, technische Komponenten und bewegliche Strukturen für eine Vielzahl von Raumfahrtanwendungen entwickelt und herstellt. DCUBED startete 2018 mit einem 3D-Drucker und einem Team von zwei Mitarbeitern. Heute bietet das Unternehmen mehrere Produktlinien an und beliefert die Raumfahrt-Marktführer in 15 Ländern auf 4 Kontinenten.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: DLR 27. Juli 2023.

27. Juli 2023 – Weltweit wird an umweltfreundlichen Alternativen zum Hydrazin (N₂H₄) geforscht, das als Treibstoff für Satellitentriebwerke in der Raumfahrt eingesetzt wird. Zwei vielversprechende Produkte aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sollen nun in den Weltraum und gleichzeitig auf den Markt gebracht werden. Dr. Lukas Werling und Felix Lauck aus dem DLR-Institut für Raumfahrtantriebe in Lampoldshausen gründen dazu das Start-up InSpacePropulsion Technologies.

Die beiden Wissenschaftler forschen seit vielen Jahren im DLR an fortschrittlichen Raketentreibstoffen. „Dabei wurde der Bedarf des Raumfahrtmarktes an kostengünstigen und trotzdem zuverlässigen Antriebslösungen immer offensichtlicher. Das gilt gerade auch für den New-Space-Bereich, in dem der Einsatz des teuren und giftigen Hydrazins oft gar nicht denkbar ist“, sagt Felix Lauck, einer der beiden Gründer der InSpacePropulsion Technologies GmbH i.G. (in Gründung). „New Space“ bezeichnet die Kommerzialisierung der Raumfahrt und ihre enge Verbindung mit der Wirtschaft.

HyNOx, eine der beiden entwickelten Antriebstechnologien, hat eine vergleichsweise hohe Leistung, ist sicher in der Handhabung und kostengünstig. Bei der zweiten Technologie handelt es sich um eine selbstzündende Treibstoffkombination mit dem Namen HIP_11, die vom DLR patentiert wurde. Beide Entwicklungen ergänzen sich: „HyNOx eignet sich für kleine und leichte Satelliten oder Raumfahrzeuge. HIP_11 hingegen bietet Vorteile bei größeren und schwereren Raumfahrzeugen“, erklärt InSpacePropulsion-Technologies-Gründer Dr. Lukas Werling.

Triebwerke für HyNOx-Treibstoffe aus dem 3D-Drucker
HyNOx ist ein Zweikomponententreibstoff und besteht aus Lachgas (N₂O) und Ethan (C₂H₆). Die Komponenten sind weltweit gut verfügbar. Zusätzlich werden die passenden Triebwerke im 3D-Druck Verfahren hergestellt, was Kosten reduziert und kurze Herstellungszeiten ermöglicht. HyNOx Treibstoffe wurden beim DLR sowohl als vorgemischter Einkomponenten-Treibstoff, als auch als klassischer Zweikomponententreibstoff erprobt. „In inzwischen mehreren tausend Heißläufen am Prüfstandskomplex M11 in Lampoldshausen zeigte sich das Potenzial des Treibstoffs. Die Ausgründung fokussiert sich dabei auf die Anwendung von HyNOx als Zweikomponententreibstoff“, sagt Lukas Werling. Die Basis für die Entwicklungen bilden zahlreiche DLR-interne sowie von der ESA geförderte Projekte.

In den letzten Monaten haben die Forschenden HyNOx-Triebwerke mit unterschiedlichen Schubklassen getestet. Ihr Start-up treibt nun die Weiterentwicklung und die anschließende Demonstration der Technologie im All voran.

HIP_11 – selbstzündend und leistungsstark
Den Treibstoff „HIP_11“ (Hypergolic Ionic Propellant developed at M11) hat Felix Lauck im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Versuche verliefen erfolgreich, zusätzlich wurde der Treibstoff patentiert. „Eine Komponente von HIP_11 ist konzentriertes Wasserstoffperoxid, ein leistungsstarker und gut zu handhabender Oxidator. Bei der zweiten Komponente handelt es sich um ein Salz, das eine sehr geringe Schmelztemperatur aufweist und damit bei Raumtemperatur flüssig ist. Sobald dieses Salz mit Wasserstoffperoxid in Kontakt ist, reagieren die Stoffe miteinander und es kommt zur Zündung“, erklärt Felix Lauck. Diese selbstzündende Eigenschaft heißt „hypergol“. Die hypergole Zündung ist sehr zuverlässig. Selbstzündende Treibstoffe auf Hydrazin-Basis werden für viele Raumfahrt-Antriebe eingesetzt. „Bei HIP_11 handelt es sich nun um einen alternativen Treibstoff, der eine vergleichbare Leistung wie konventionelle Treibstoffe bietet. Er ist jedoch viel einfacher zu handhaben. Auch das reduziert die Kosten von HIP_11-Antrieben gegenüber konventionellen Technologien deutlich“, ergänzt Felix Lauck.

Der Weg zur Ausgründung
Die beiden InSpacePropulsion-Technologies-Gründer möchten mit ihren im DLR entwickelten Technologien eine kostengünstige und nachhaltige Raumfahrt voranbringen. Bereits kurz nach dem Start ihres Ausgründungsprojekts erhielten Felix Lauck und Lukas Werling die ersten Absichtserklärungen (sogenannte Letters of Intent) der Industrie. „Die Technologien stoßen auf großes Interesse“, sagt Lukas Werling. Auch mit dem DLR wird eine starke und langfristige Kooperation angestrebt. Schon im kommenden Jahr sollen die Triebwerke und Systeme im All erprobt werden.

Während der Gründungsphase werden die beiden Wissenschaftler vom DLR-Technologietransfer und von der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. „Diese Ausgründung ist ein Beispiel dafür, wie wichtig und am Ende eben auch erfolgreich die professionelle und systematische Unterstützung von Ausgründungen im DLR ist. Wir begleiten die Gründungen von der ersten Idee, über die Marktsondierung, die Entwicklung von Produkt-Prototypen, Schulungen in Marketing und Vertrieb, Finanzierungsberatung und vielem mehr und machen sie so für den Markt fit. So bringen wir Forschungsergebnisse in die Anwendung, erzeugen Wertschöpfung und schaffen hochkarätige Arbeitsplätze“, erklärt Prof. Karsten Lemmer, Mitglied des DLR-Vorstands und verantwortlich für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen.

Die Forschung geht weiter
Das DLR-Institut für Raumfahrtantriebe, an dem die Gründer angestellt sind, forscht weiter an fortschrittlichen Treibstoffen. In der Abteilung Satelliten- und Orbitalantriebe arbeiten die Forschenden insbesondere an neuen Treibstoffmischungen und darauf abgestimmten Antriebssystemen. Auch ihr Ziel ist es, die Luft- und Raumfahrt nachhaltiger, einfacher, günstiger und sicherer zu machen.

Satelliten spielen im Alltag eine wichtige Rolle: Sie sind unter anderem Grundlage für die Erforschung und Überwachung des Klimawandels, aber auch für Anwendungen in der modernen Landwirtschaft sowie im Katastrophenschutz und in der Kommunikation und Navigation.

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• InSpacePropulsion Technologies

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Quelle: BAM. 15. März 2023.

15. März 2023 – Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil durch das Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden dann mittels Laserstrahl verschmolzen und anschließend aus dem Pulverbett herausgetrennt. In früheren Kampagnen wurde die industriell bereits erfolgreiche Fertigungsmethode des Selektiven Laserschmelzens, das Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF), in Schwerelosigkeit erprobt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die für den Schichtauftrag notwendige Gravitation ersetzen kann. Erste metallische Bauteile wurden in der Schwerelosigkeit erfolgreich gefertigt.

„Die additive Fertigung wird zunehmend auch für die Luft- und Raumfahrtbranche wichtig“, erklärt Prof. Dr. Jens Günster, Projektleiter und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM. „Durch die Optimierung von pulverbasierten 3D-Druckverfahren, wie sie die BAM bei der Parabelflugkampagne erprobt, können Bauteile in Zukunft vor Ort hergestellt und so Weltraummissionen effizienter und nachhaltiger werden.“

Im aktuellen Experiment liegt der Fokus auf der Optimierung des Pulverauftrags sowie der Qualitätskontrolle und Visualisierung der aufgetragenen Schichten. Dazu wird die im letzten Experiment erprobte und weiterentwickelte Depositionseinheit genutzt, in der das Pulver nicht aus einem einzelnen großen Behälter appliziert wird, sondern mittels einzelner Zellen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind. Das Design reduziert das Verklumpen einzelner Pulverpartikel und unterstützt einen homogenen Schichtauftrag. Zusätzlich setzt das Team einen Linienscanner ein, um die einzeln aufgetragenen Pulverschichten während des Druckprozesses zu vermessen. So kann erstmals die Oberflächenqualität während der Herstellung ermittelt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt des Experiments liegt auf der Untersuchung von Mondregolith-Simulant als Fertigungsmaterial für Ersatzteile. Die Nutzung von vorhandenen Materialien vor Ort, wie pulverisiertem Mondgestein, kann Raumfahrtmissionen noch flexibler gestalten. Anknüpfend an vorangegangene Versuche soll das Schmelzverhalten von Mondstaub im additiven Fertigungsprozess weiter untersucht werden. Insbesondere die Ausbildung eines Schmelzbades im Pulverbett für unterschiedliche Größen des Laserstrahls in Schwerelosigkeit sowie in normaler Erdgravitation und Hypergravity stehen dabei im Fokus.

Ein zweites Experiment, das von der xolo GmbH Berlin geleitet wird und an dem die BAM beteiligt ist, testet ein neues additives Fertigungsverfahren für Polymerwerkstoffe, das für Anwendungen in der regenerativen Medizin eingesetzt werden soll. Das BAM-Team will das Verfahren von xolo in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben (Dr. Johanna Sänger und Prof. Dr. Raúl Bermejo) mit neuen Werkstoffen kombinieren und für Weltraummissionen optimieren.

Projekt Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit
https://www.dlr.de/de/ar/themen-missionen/weltraumforschung/forschung-unter-weltraumbedingungen/forschungsplattformen/parabelflug/parabelflug-40/additive-fertigung

Interview mit Jens Günster zur Forschung der BAM an additiven Verfahren für Weltraummissionen
https://www.bam.de/Content/DE/Interviews/material-interview-jens-guestner-pulverbasierte-additive-fertigung-unter-schwerelosigkeit.html

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: Hochschule München 14. März 2023.

14. März 2023 – Eine Gruppe von Wissenschaftlern und ehemaligen Studierenden der HM hat in einer Forschungsrakete Experimente zur Fertigung von Strukturen im Weltraum durchgeführt. Die gedruckten Proben wurden am Esrange Space Center, nördlich des Polarkreises in Schweden, zurückgeführt und ausgewertet.

Erster automatisierter 3D-Druck unter Weltraumbedingungen
Die Versuche an Bord der 5,60 m langen und 35,5 cm breiten Forschungsrakete wurden in einer Höhe von bis zu 90 km durchgeführt und hatten zum Ziel, aus einem mitgeführten, flüssigen photoreaktiven Harz unter Bedingungen der Schwerelosigkeit und in einem Vakuum mit einem 3D-Drucker Stäbe zu fertigen. Das studentische Team um Prof. Dr. Markus Pietras, Leiter des Masterstudiengangs Luft- und Raumfahrttechnik, und Doktorand Michael Kringer waren sehr zufrieden mit den Ergebnissen: „Keiner wusste, ob unser Konzept vom autonomen 3D-Druck mit flüssigem Druckmaterial unter realen Weltraumbedingungen funktionieren würde. Jeder kennt die Bilder von Flüssigkeiten, die durch die Raumstation als kugelförmige Tropfen schweben. Wir hatten schon Bedenken, dass so etwas auch mit unserem Material passieren könnte. Durch eine Härtung des Druckmaterials mit UV-Licht direkt an der Düse hat es sich während des Druckes jedoch so verhalten wie erhofft und wir konnten damit erfolgreich Stäbe produzieren.

Neue Perspektiven für die Raumfahrt
Die an der HM entwickelte Technologie erzeugt unmittelbar durch die dreidimensionale Bewegung des Druckkopfes neue Komponenten. Das photoreaktive Harz wird aus dem Druckkopf durch eine Düse gedrückt und unter Bestrahlung mit UV-Licht gehärtet. Die Methode ist sehr energieeffizient, da nur LEDs betrieben werden und eine Nachhärtung sogar mit Sonnenlicht erfolgen kann. Auch entsteht dabei nur wenig Abwärme, die im Weltraum kompliziert abgeführt werden muss. Der herkömmliche 3D-Druck, wie er zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wird, benötigt erheblich mehr Energie, denn hier wird thermoplastischer Kunststoff erst geschmolzen, um dann schichtweise aufgetragen und wieder abgekühlt zu werden.

Die zukünftige Anwendung liegt in der Erzeugung großer Strukturen direkt vor Ort, damit der aufwendige Transport von Teilen entfällt. Kringer erläutert die Vorzüge: „Auf Trägerraketen ist der Platz begrenzt. Wichtige Komponenten wie Antennen oder Solargeneratoren müssen daher für den Start sehr kompakt gestaltet und dann im Orbit entfaltet werden. Mit 3D-Druck könnten wir die Strukturen vor Ort so bauen, wie wir sie wirklich haben wollen.“

Vom Labor zum In-Space Manufacturing
Die Fertigung von Strukturen im Weltraum beschäftigt schon allein aus Kostengründen alle Weltraumorganisationen. Nach erfolgreichen Tests mit dem 3D-Druck von komplexen Strukturen und Formen im Labor der HM war der nächste logische Schritt eine Erprobung unter Bedingungen der Schwerelosigkeit. Das Team bewarb sich 2020 erfolgreich beim FlyYourThesis!-Programm der Europäischen Weltraumagentur (ESA). Bei Parabelflügen in einem umgebauten Airbus erprobten sie ihr Verfahren weiter. Mit den Tests in einer Höhenforschungsrakete haben die Forscher nun den Beweis geführt, dass die Technologie auch im Weltraum einsatzfähig ist. Gemeinsam mit der ESA und Industriepartnern wird die Technologie weiter erforscht, und schon über den nächsten Schritt nachgedacht: Ein längerer Einsatz des Druckers auf einem Satelliten in der Erdumlaufbahn. Pietras ist optimistisch: „Abgesehen von den wirtschaftlichen Aspekten wird die Technologie auch die Möglichkeiten zur Erforschung des Weltraums erweitern. Weltraumgestützte Solarenergie oder eine bemannte Marsmission kann ich mir zum Beispiel ohne eine Fertigung vor Ort nicht vorstellen.“

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: DLR 4. November 2022.

4. November 2022 – Ein komplexes Raumfahrtprojekt während des Studiums auf die Beine stellen – von der Idee über die Planung und den Bau der Experimente bis hin zum Flug auf einer Forschungsrakete – das ermöglicht das deutsch-schwedische Programm REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten) der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der Schwedischen Nationalen Raumfahrt-Agentur (SNSA). Zwischen dem 4. und 7. November 2022 sollen die beiden Forschungsraketen REXUS 27 und REXUS 28 vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Nordschweden starten. Mit an Bord sind die Experimente von fünf Studierenden-Teams von Universitäten aus der Schweiz, Belgien, den Niederlanden und Deutschland. Die Raketen werden bei dem parabelähnlichen Flug eine Höhe von etwa 80 Kilometern erreichen, wobei für rund zwei Minuten Schwerelosigkeit herrscht.

„Die Startkampagne musste leider aufgrund der Pandemie mehrmals verschoben werden, was für alle Beteiligen eine große Herausforderung war“, erklärt Dr. Michael Becker, Leiter des REXUS/BEXUS-Programms der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Deshalb freuen wir uns sehr, dass beide Forschungsraketen nun starten können, und sind gespannt auf die Auswertung und Ergebnisse der Experimente.“

Wenn die Forschungsrakete REXUS 27 in Richtung Stratosphäre abhebt, hat sie drei Experimente an Bord. Mit dem Experiment HADES (Hayabusa-capsule active dynamic re-entry stabilisation) erforschen Studierende der Fachhochschule Westschweiz (HES-SO) die dynamische Stabilität einer Wiedereintrittskapsel in der Atmosphäre. Das Team FLORENCE (Flow boiling regime in microgravity conditions experiment) der Katholischen Universität Löwen, Belgien, untersucht mit seinem Experiment die Strömung in Kühlkanälen eines simulierten Raketentriebwerk-Modells bei geringer Schwerkraft.

3D-Druck unter Weltraumbedingungen
Ein Verfahren der additiven Fertigung, auch 3D-Druck genannt, untersucht das Team AIMIS (Additive manufacturing in space) der Hochschule München. Unter Weltraumbedingungen werden während des REXUS-Flugs mehrere Säulen aus photoreaktivem Kunstharz durch eine formgebende Öffnung gepresst (extrudiert) und anschließend unter UV-Licht ausgehärtet. Der Versuch dient dem Nachweis eines stabilen Fertigungsprozesses. Die gefertigten Stäbe werden anschließend auf ihre Materialeigenschaften untersucht. Zukünftig soll diese Methode die Herstellung größerer Strukturen, wie Teile von Raumstationen oder Raumschiffen im Weltraum ermöglichen.

Robotertechnik für den Einsatz im Weltraum
Der Start der REXUS-28-Rakete ist für den 7. November 2022 geplant. An Bord befinden sich zwei Experimente von Studierenden der Technische Universität Delft, Niederlande, und Universität Stuttgart. Das Experiment SPEAR (Supersonic Parachute Experiment Aboard REXUS) der TU Delft testet einen selbst entwickelten Hemisflo-Fallschirm unter Überschallbedingungen für sogenannte Wiedereintrittssysteme. Dafür wird eine Kapsel mit unterschiedlichen Sensoren am höchsten Punkt der Flugbahn aus der Spitze der REXUS-Rakete ausgeworfen und von dem Fallschirm abgebremst.

Das Experiment ROACH2 (Robotic in-Orbit Analysis of Cover Hulls 2) von Studierenden der Universität Stuttgart beschäftigt sich mit der Frage, wie Beschädigungen an Raumstationen oder Raumschiffen, die beispielsweise durch Weltraumschrott verursacht wurden, repariert werden können. Das Team entwickelte einen Roboter, der sich mithilfe von Elektroadhäsion (das Aneinanderhaften zweier Materialien, zwischen denen eine elektrische Spannung angelegt wird) in der Schwerelosigkeit auf Oberflächen von Raumfahrzeugen fortbewegen kann. „Rover wie ROACH 2 sollen in Zukunft auf der Außenhaut einer Raumstation laufen, um Schäden zu begutachten. Dabei setzen wir auf Elektroadhäsion – die Kraft, die Luftballons an der Wand hält, nachdem sie an den Haaren aufgeladen wurden. Dazu kombinieren wir ein Experiment auf einer Höhenforschungsrakete mit einem kleinen Rover, der sich in der Rakete fortbewegt“, erklärt Natascha Bonidis für das ROACH2-Team. „Das REXUS-Programm bietet uns eine ideale Möglichkeit, diese Technologiedemonstration durchzuführen und zusätzlich noch eine professionelle Betreuung durch Experten.“

„Dieses einzigartige Experiment soll nachweisen, dass diese Technologie für die extreme Umgebung des Weltraums geeignet ist“, erklärt Dr. Michael Becker. Mithilfe von Sensoren und Kameras in der Höhenforschungsrakete wird das Experiment überwacht und im Anschluss ausgewertet. Zukünftig könnten mit dieser Technologie Roboter entwickelt werden, die Schäden auf der Oberfläche von Raumfahrzeugen erkennen und vor Ort reparieren.

REXUS und BEXUS: ein Programm für den wissenschaftlichen Nachwuchs
Das deutsch-schwedische Programm REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten) bietet seit 2007 Studierenden aus Deutschland, Schweden und ESA-Mitgliedstaaten die Möglichkeit, eigenständig auf Raketen und Ballonen wissenschaftliche Experimente zu fliegen. Sie bekommen so praktische Erfahrungen bei der Vorbereitung und Durchführung eines Raumfahrtprojekts.

Um an dem Programm teilzunehmen, müssen die Studierenden einen Experimentvorschlag einreichen. Nach einer Vorauswahl werden die Teams zur Deutschen Raumfahrtagentur in Bonn eingeladen, um ihr Experiment vorzustellen. Die ausgewählten Experimente erhalten einen Platz auf einem Stratosphärenballon oder einer Forschungsrakete. Während einer Trainingswoche werden die Experimentkonzepte von Raumfahrtingenieuren und -experten überprüft, und die Teams lernen die Raketen- und Ballonsysteme kennen. Die REXUS/BEXUS-Ingenieure unterstützen die Studierenden auch während der Bauphase der Experimente.

Der nächste Aufruf für Experimente-Vorschläge wird voraussichtlich Mitte 2023 veröffentlicht. Jeweils die Hälfte der Raketen- und Ballon-Nutzlasten stehen Studenten deutscher Universitäten und Hochschulen zur Verfügung. Die schwedische Raumfahrtagentur SNSA hat den schwedischen Anteil für Studierende der übrigen Mitgliedsstaaten der Europäischen Weltraumorganisation ESA geöffnet.

Auf deutscher Seite erfolgt die Projektleitung mit der Betreuung der Experimente durch das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnik (ZARM) in Bremen. Die Flugkampagnen führt EuroLaunch durch, ein Joint Venture der Mobilen Raketenbasis des DLR (MORABA), die für die Bereitstellung der Raketensysteme zuständig ist, und das Esrange Space Center des schwedischen Raumfahrtunternehmens SSC, das über die Startinfrastruktur verfügt. Die Programmleitung liegt beim der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn.

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: Empa 21. September 2022.

21. September 2022 – Der 3D-Druck gewinnt in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl auf Baustellen als auch in Fabriken drucken stationäre und mobile Roboter bereits Bauteile in Stahl und Beton. Ein neuer Ansatz für den 3D-Druck verwendet fliegende Roboter: Drohnen, die kollektive Baumethoden anwenden – inspiriert von natürlichen Baumeistern wie Bienen und Wespen.

Wie das Forschungsteam unter Federführung von Mirko Kovac, der an der Empa das «Materials and Technology Center of Robotics» leitet und zugleich als Professor am «Imperial College London» forscht, mit einer Cover-Story im Wissenschaftsmagazin «Nature» berichtet, besteht das System mit dem Namen «Aerial Additive Manufacturing» (Aerial-AM) aus einer Flotte von Drohnen, die für einen einzigen Bauplan zusammenarbeiten. Dazu gehören sogenannte «BuilDrones», die während des Fluges Materialien drucken und an den vorgesehenen Stellen platzieren, und «ScanDrones». Sie dienen der Qualitätskontrolle, erfassen kontinuierlich die Leistungen der «BuilDrones» und geben die kommenden Fertigungsschritte vor.

Das Aerial-AM-System ist so konzipiert, dass die Drohnen ihre Tätigkeit im Lauf des Bauprozesses an die unterschiedlichen Geometrien der Struktur anpassen können. Sie agieren während ihres Flugeinsatz autonom, doch es gibt einen menschlichen «Controller», der den Prozess beobachtet und bei Bedarf Anpassungen vornimmt – auf der Grundlage der von den Drohnen gelieferten Informationen.

Tests mit Zylindern aus zwei Materialien
Um das Konzept zu testen, entwickelten die Forscher vier zementähnliche Mischungen, mit denen die Drohnen bauen sollten. Die Probedrucke umfassten einen rund zwei Meter hohen Zylinder aus 72 Schichten eines Schaumstoffs auf Polyurethanbasis und einen 18 Zentimeter hohen Zylinder aus 28 Schichten eines eigens entwickelten zementartigen Materials.

Während des gesamten Bauprozesses bewerten die Drohnen die gedruckte Geometrie in Echtzeit und passen ihr Verhalten an, um sicherzustellen, dass sie eine Fertigungsgenauigkeit mit einer maximalen Abweichung von fünf Millimetern einhalten.
Die bisherigen Versuche stimmen die Forschenden zuversichtlich – auch mit Blick auf Einsätze in der Baupraxis. «Wir haben demonstriert, dass die Drohnen autonom arbeiten können, um Gebäude zu errichten und zu reparieren, zumindest im Labor», sagt Mirko Kovac, «diese skalierbare Lösung könnte das Bauen und Reparieren in schwer zugänglichen Bereichen wie Hochhäusern erleichtern.»

Im nächsten Schritt werden die Fachleute mit Bauunternehmen zusammenarbeiten, um die entwickelten Lösungen in der Praxis zu validieren und neue Reparatur- und Fertigungsmöglichkeiten zu entwickeln. Sie gehen davon aus, dass ihre Technologie im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Methoden erhebliche Kosteneinsparungen und geringere Risiken ermöglichen wird.

Originalpublikation
K Zhang, P Chermprayong, F Xiao, D Tzoumanikas, B Dams, S Kay, B Bahadir Kocer, A Burns, L Orr, C Choi, D Dattatray Darekar, W Li, S Hirschmann, V Soana, S Awang Ngah, S Sareh, A Choubey, L Margheri, V M Pawar, R J Ball, C Williams, P Shepherd, S Leutenegger, R Stuart-Smith, M Kovac; Aerial Additive Manufacturing with Multiple Autonomous Robots; Nature (2022); doi: 10.1038/s41586-022-04988-4
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

3D-Druck mit Drohnen
Video zum Forschungsprojekt, zu Resultaten und Aussichten (auf englisch)

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: TU Berlin 21. Juni 2022.

21. Juni 2022 – 3D-Druck auf dem Mond: Wissenschaftler*innen des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) und der Technischen Universität (TU) Berlin planen einen Flug zum Mond, um dort mit Laserstrahlung Mondstaub aufzuschmelzen. Im Projekt MOONRISE möchte das Forscherteam der Frage nachgehen, wie wir zukünftig mit dem Laser Landeplätze, Straßen oder Gebäude aus Mondstaub fertigen können. Dazu wollen die Forscher*innen ein Lasersystem zur Mondoberfläche bringen, das den dort überall vorhandenen Gesteinsstaub schmilzt. Künstliche Intelligenz soll den Laserprozess dabei unterstützen. Ziel ist es zu zeigen, dass Laserschmelzen auf dem Mond funktioniert – und perspektivisch zur Herstellung von 3D-gedruckter Infrastruktur für eine Mondbasis genutzt werden kann.

Sowohl aus wissenschaftlicher wie auch aus wirtschaftlicher Sicht ist unser Erdtrabant ein begehrtes Ziel. So wollen nicht nur Milliardäre ihre gut zahlenden Gäste um den Mond fliegen, auch die europäische Weltraumorganisation ESA hat Pläne für ein „Moon Village“. Weiters würde sich die erdabgewandte Seite des Mondes für leistungsstarke Radioteleskope eignen. Außerdem machen die geringere Schwerkraft und das Fehlen einer Atmosphäre den Mond zu einer idealen Zwischenstation für den Aufbau von Missionen zu weiter entfernt liegenden Zielen im Weltraum. Wie aber sollen Startrampen, Landeplätze und Gebäude auf der Mondoberfläche entstehen? „Mit Kosten von bis zu einer Million Dollar pro Kilogramm wäre ein vollständiger Transport des Materials von der Erde auf den Mond extrem kostspielig“, erklärt Jörg Neumann, Projektleiter von MOONRISE am LZH.

Häuser aus Mondstaub
Pulverisiertes Mondgestein, auch Regolith genannt, ist auf dem Mond dagegen massenhaft vorhanden und könnte als Rohmaterial zum 3D-Druck verwendet werden. Das Nutzen und Verarbeiten von vor Ort vorhandenen Materialien wird in der Raumfahrt auch als In-Situ Resource Utilization (ISRU) bezeichnet – und könnte ein entscheidender Faktor sein, die Exploration des Mondes und des Weltraums voranzubringen.

Die Technologie wurde auf der Erde schon demonstriert
Die Grundlagen für das Vorhaben sind bereits gelegt. In dem von der VolkswagenStiftung geförderten Vorgängerprojekt hat das Forscherteam einen kompakten, robusten Laser entwickelt und im Labor erfolgreich am Roboterarm eines Mond-Rovers getestet. Außerdem gelang es den Wissenschaftler*innen, Regolith im Einstein-Elevator des „Hannover Institute of Technology“ (HiTEC) der Leibniz Universität Hannover unter Mondgravitation aufzuschmelzen. Jetzt geht es darum, den Laser fit für den Mondflug zu machen. Die Wissenschaftler*innen von LZH und TU Berlin wollen ein Flugmodell des Lasers entwickeln, das für den Einsatz im Weltraum qualifiziert ist.

Künstliche Intelligenz für den Einsatz auf dem Mond
Unterstützung erhält der Laser von künstlicher Intelligenz (KI). Eine Kamera wird auf dem Mond Fotos machen, die dann von den Forscher*innen auf der Erde mithilfe eines intelligenten Bildverarbeitungssystems ausgewertet werden. Das System soll bei der Analyse des mit dem Laser aufgeschmolzenen Mondstaubs helfen und den Wissenschaftler*innen auf der Erde so eine KI-basierte Prozess- und Qualitätskontrolle ermöglichen.

Mondlandschaft an der TU Berlin
Die große Herausforderung dabei: Die KI muss für den Mondeinsatz schon im Vorfeld trainiert werden. An der TU Berlin wird dazu ein Labor entstehen, in dem das Regolith unter Beleuchtungsverhältnissen fotografiert wird, die denen auf dem Mond nachempfunden sind. So wird ein entsprechender Pool an Bildern angelegt, mit denen die KI lernen kann. „Zudem wurde über die letzten Jahre ein Regolithbaukasten entwickelt, der es ermöglicht, die verschiedenen möglichen Landestellen von den Eigenschaften her präzise nachzustellen. Dieser wird im Projekt dann an die finale Landestelle auf dem Mond angepasst, sodass im Labor der Laser und die KI auf die reale Mondmission hin ausgerichtet werden können“, erklärt Benedict Grefen von der Arbeitsgruppe „Exploration und Antriebe“ im Fachgebiet Raumfahrttechnik (RFT) der TU Berlin. Das auf diese Weise entstandene „Oberflächenanalogmodell“ wird dann auch während der Mission die Entscheidungen unterstützen.

Flug zum Mond im Jahr 2024
Das Projekt MOONRISE-FM hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 4,75 Millionen Euro gefördert. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Der Start der Mission ist für das Jahr 2024 geplant.

Anmerkung der Raumfahrer.net Redaktion
Entgegen der üblichen Vorgangsweise, bei uns freundlicherweise zur Weiterveröffentlichung freigegebenen Artikeln, den Wortlaut der Originalautoren zu schützen sahen wir uns veranlasst den Satzteil „Denn die stets dunkle Rückseite des Mondes würde sich für leistungsstarke Weltraumteleskope eignen,“ auf den Satz „Weiters würde sich die erdabgewandte Seite des Mondes für leistungsstarke Radioteleskope eignen.“ zu ändern.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: CRP Technology 16. Mai 2022.

16. Mai 2022 – „Alba Cluster X“, der zweite Start von Alba Orbital im Jahr 2022, der im Rahmen der Mission von Rocket Lab „There And Back Again“ von Pad A des Startkomplexes 1 von Rocket Lab auf der Halbinsel Mahia in Neuseeland aus stattfand, wurde soeben erfolgreich abgeschlossen.

Insgesamt brachte die Mission 34 Satelliten in eine sonnensynchrone Umlaufbahn. Vier davon wurden mit dem fortschrittlichen System „AlbaPod v2“ von Alba Orbital freigesetzt, das von CRP Technology aus dem kohlenstofffaserverstärkten Verbundmaterial Windform XT 2.0 und im industriellen 3D-Druckverfahren hergestellt wurde.

Dabei kam die Technologie des selektiven Lasersinterns zum Einsatz, zu deren Einführung CRP Technology im Laufe der Jahre mit der Entwicklung und Verwendung der Windform-Materialien beigetragen hat.

Bei den Satelliten, die in den Deployer von Alba Orbital integriert wurden, handelte es sich um den Unicorn-2F von Alba Orbital und drei 1P PocketQubes von ACME AtronOmatic / MyRadar, das die Freisetzung einer Konstellation von 250 Satelliten zum Sammeln von meteorologischen Daten plant.

Unicorn-2 ist mit einem optischen Nachtsichtsystem zur Aufnahme von Bildern ausgestattet, das nicht nur für die Überwachung der Lichtverschmutzung auf der ganzen Welt entwickelt wurde, sondern auch mit Hilfe von in der Nacht aufgenommenen Satellitenbildern wichtige Informationen über menschliche Aktivitäten liefern soll. Unicron-2F hat bereits beim ersten Überfliegen begonnen, Signale zur Erde zu senden.

Alle vier PocketQubes wurden von Electron, einer Trägerrakete, die so manövrierfähig ist, dass jeder Satellit garantiert auf einer präzisen und einmaligen, vom Kunden festgelegten Umlaufbahn freigesetzt wird, auf einer 500 km langen kreisförmigen Umlaufbahn freigesetzt.

„Wir freuen uns über die erneute Zusammenarbeit mit Alba Orbital“, sagte Peter Beck, Gründer und CEO von Rocket Lab. „Das Team von Alba Orbital hat bewiesen, dass unglaublich kleine Satelliten äußerst leistungsfähig sein können und sehr wichtige Daten und Informationen liefern können, und das zu viel geringeren Kosten als mit herkömmlichen Satelliten. Den Zugang zum Weltraum schneller, einfacher und kostengünstiger zu gestalten, ist eine Mission, die unserer Zielsetzung entspricht, und daher freuen wir uns darauf, sie mit unserer Electron umzusetzen.“

Es handelte sich diesmal auch um eine Bergungsmission, bei der Rocket Lab zum ersten Mal versuchte, den ersten Block („Stage“) von Electron bei ihrer Rückkehr aus dem Weltraum mit Hilfe eines Fallschirms und eines Hubschraubers in der Luft einzufangen. Die Bergung war erfolgreich und bringt Electron einen Schritt näher an das Ziel, die erste wiederverwendbare Trägerrakete für kleine Weltraumsatelliten zu sein.

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• CubeSats

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Quelle: idw.

05.05. 2022. Es hat die Farbe von Weißgold, doch es ist hart wie Quarzglas und weißt gleichzeitig eine hohe Elastizität auf. Die glatte und korngrenzenfreie Oberfläche macht das Material widerstandsfähig gegen Salze oder Säuren. Einzelstücke – etwa für medizinische Implantate – lassen sich im 3D-Druck herstellen, während größere Serien – etwa für Uhrgehäuse – im Spritzgussverfahren gefertigt werden. So ungefähr wird das Material der Träume beschrieben, an dem Wissenschaftler derzeit forschen. Die Rede ist von «metallischem Glas».
An der Empa beschäftigt sich Antonia Neels, die Leiterin des Empa-Röntgenzentrums, seit rund 15 Jahren mit diesem geheimnisvollen Material. Ihr Team untersucht die innere Struktur von metallischem Glas mit Hilfe verschiedener Röntgenmethoden und entdeckt dadurch Zusammenhänge mit Eigenschaften wie Verformbarkeit oder Bruchverhalten. Auch für Profis der Materialwissenschaften sind metallische Gläser eine harte Nuss: «Je genauer wir die Proben anschauen, desto mehr Fragen tauchen auf«, sagt Antonia Neels. Den Ehrgeiz der Forschenden stachelt das umso mehr an.

Gemeinsam ins All

In einigen Monaten wird eine Probe von metallischem Glas in der Schwerelosigkeit der internationalen Raumstation ISS untersucht. Eine Forschergruppe unter Beteiligung der Empa hat die Proben vorbereitet und bei der europäischen Raumfahrtagentur ESA zum Weltraumflug angemeldet. Die Speziallegierung liefert die Firma PX Group aus La Chaux-de-Fonds, die Materialien für die Uhrenindustrie und die Zahnmedizintechnik herstellt. Mit im Team sind auch die Forscher Markus Mohr und Hans-Jörg Fecht vom «Institute of Functional Nanosystems» der Universität Ulm sowie Roland Logé vom «Laboratory of Thermomechanical Metallurgy» der EPFL in Neuchâtel.
Die Herstellung von metallischem Glas ist nicht ganz einfach: Im Vergleich zu Fensterglas müssen die speziell ausgewählten Metall-Legierungen bis zu hundertfach schneller abgekühlt werden, damit sich die Metallatome nicht zu Kristallgittern zusammenlagern. Nur wenn die Schmelze schockartig erstarrt, bildet sie ein Glas. In der Industrie werden dünne Folien metallischer Gläser erzeugt, indem die Schmelze zwischen schnell rotierende Kupferwalzen gepresst wird. Forscher gießen bisweilen ihre Proben in Gussformen aus massivem Kupfer, das die Wärme besonders gut abführt. Doch größere, massive Werkstücke aus metallischem Glas sind mit diesen Methoden nicht machbar.

Der 3D-Druck hilft weiter

Ein möglicher Ausweg aus dem Dilemma ist der 3D-Druck im sogenannten Pulverbettverfahren. Ein feines Pulver der gewünschten Legierung wird für wenige Millisekunden mit einem Laser erhitzt. Die Metallkörnchen verschmelzen mit ihren Nachbarn zu einer Art Folie. Nun wird eine dünne Pulverschicht darübergelegt, der Laser verschmilzt das frisch aufgelegte Pulver mit der darunterliegenden Folie, und so entsteht nach und nach aus vielen kurz erhitzten Pulverkörnchen ein dreidimensionales Werkstück.
Für diese Methode ist eine feine Dosierung des Laserpulses notwendig. Brennt der Laser zu schwach aufs Pulver, verschmelzen die Partikel nicht miteinander, und das Werkstück bleibt porös. Brennt der Laser zu stark, dann schmilzt er auch die unteren Schichten erneut auf. Durch das mehrfache Aufschmelzen können sich die Atome neu anordnen, sie bilden Kristalle – und damit ist es mit dem metallischen Glas vorbei.

Röntgenmethoden und ihre außerordentliche Vielfalt

Im Röntgenzentrum der Empa hat das Team von Antonia Neels schon einige solcher Proben aus 3D-Druck-Experimenten analysiert. Die Ergebnisse werfen indes stets neue Fragen auf. «Manches deutet darauf hin, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Gläser nicht verschlechtern, sondern im Gegenteil sogar verbessern, wenn die Probe kleine kristalline Anteile enthält», so Neels. «Nun gehen wir der Frage nach, wie groß dieser Kristallanteil im Glas sein muss, und welche Art Kristalle sich bilden müssen, um etwa die Biegsamkeit oder die Schlagfestigkeit des Glases bei Raumtemperatur zu erhöhen.»
Um dem Kristallwachstum in einer ansonsten amorphen Umgebung auf die Spur zu kommen, nutzen die Expertinnen und Experten der Empa verschiedene Röntgenmethoden. «Mit Strahlung verschiedener Wellenlängen können wir etwas über die Struktur der kristallinen Anteile erfahren, aber auch Nahordnungsphänomene der Atome in der Probe ermitteln – also die Eigenschaften der chemischen Bindungen bestimmen», erläutert Neels. Zusätzlich verrät die bildgebende Röntgenanalyse, das sogenannte mikro-CT, etwas über Dichteschwankungen in der Probe. Dies deutet auf Phasenentmischung und Kristallbildung hin. Die Dichteunterschiede zwischen den glasigen und den kristallinen Bereichen sind allerdings nur winzig klein. Es braucht daher eine detaillierte Bildbearbeitung, um die dreidimensionale Verteilung der kristallinen Anteile sichtbar machen zu können.

Parabelflug im Airbus

Doch allein mit Materialproben aus dem 3D-Laserdrucker lässt sich das Rätsel um die metallischen Gläser nicht vollständig lösen. «Wir müssen wissen, bei welchen Temperaturen diese Kristalle entstehen, wie sie wachsen – um darüber stabile Herstellungsprozesse zu definieren», erläutert Röntgenspezialistin Neels. Wichtige Informationen liefern thermo-physikalische Parameter der Schmelze wie etwa Viskosität und Oberflächenspannung. Ideale Bedingungen für diese Analysen bieten Experimente auf der ISS. Vorexperimente finden in Parabelflügen statt.
Schon 2019 sind die ersten Tröpfchen aus metallischem Glas versuchsweise geschwebt. Ein speziell umgerüsteter Airbus A310 der Firma Novespace flog mit einer Materialprobe einen Schwerelosigkeitsflug. An Bord waren Wissenschaftler aus Ulm und ein kleines, metallisches Glaströpfchen der Firma PX Group aus La Chaux-de-Fonds. Das metallische Glas, das die Forschergruppe untersucht, besteht aus Palladium, Kupfer, Nickel und Phosphor. Im Versuch namens TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Prozessieren unter Schwerelosigkeit) wurde das Glaströpfchen mittels eines Magnetfelds in der Schwebe gehalten und per Induktion auf bis zu 1500 Grad Celsius erhitzt. Während der Abkühlungsphase versetzten zwei kurze Induktionsstrom-Pulse das glühende Tröpfchen in Schwingungen. Eine Kamera zeichnete den Versuch auf. Nach der Landung wurde die Materialprobe im Röntgenzentrum der Empa analysiert.

Warum die ISS mehr Ergebnisse liefert

Die Auswertung des Videos aus dem Parabelflug lässt Rückschlüsse auf die Viskosität und die Oberflächenspannung des Tröpfchens zu – wichtige Daten, um die Herstellung von metallischen Gläsern mit bestimmten Eigenschaften besser steuern zu können. Doch die Zeit der Schwerelosigkeit während des Flugs währt nur 20 Sekunden – zu wenig für eine detaillierte Analyse. Das geht nur auf der ISS.
So ist nun eine Probe des gleichen Materials für einen Flug im europäischen COLUMBUS-Modul der ISS angemeldet. Dort ist seit 2014 der elektromagnetische Schwebeofen ISS-EML installiert. Jeweils 18 Materialproben fliegen mit, werden automatisch durchgewechselt und können von Forschern auf der Erde per Video-Stream beobachtet werden. Das metallische Glas aus der Schweiz geht mit der nächsten Probencharge auf die Reise ins All.

Per Computersimulation zu neuen Gussverfahren

Aus den weit detaillierteren Daten des Weltraumflugs wollen die Forscher eine Computersimulation der Schmelze generieren. Damit sind alle Antworten durch eine Kombination von Experimenten auf der Erde und im All in einem einheitlichen Modell versammelt: Bei welcher Temperatur herrscht welche Viskosität und Oberflächenspannung? Wann bilden sich Kristalle welcher Zusammensetzung, Größe und Ausrichtung? Wie beeinflusst diese innere Materialstruktur die Eigenschaften des metallischen Glases? Aus all diesen Parametern wollen die Forscher gemeinsam mit dem Industriepartner PX Group eine Herstellungsmethode entwickeln, um das begehrte Material in definierter Form produzieren zu können. In den nächsten Jahren gibt es für die Materialforscherinnen und -forscher in allen beteiligten Teams also noch allerhand zu tun.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Antonia Neels
Center for X-ray Analytics
Antonia.Neels@empa.ch

Originalpublikation:

M Mohr, R Wunderlich, K Zweiacker, S Prades-Rödel, R Sauget, A Blatter, R Logé, A Dommann, A Neels, WL Johnson, HJ Fecht; „Surface tension and viscosity of liquid Pd₄₃Cu₂₇Ni₁₀P₂₀ measured in a levitation device under microgravity„; npj Microgravity (2019); DOI:10.1038/s41526-019-0065-4.

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/cosmic-glass Empa Homepage
https://www.uni-ulm.de/universitaet/hochschulkommunikation/presse-und-oeffentlic… Homepage der Uni Ulm
https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Germany/Projekt_EML_Schwebende_Metall… ESA-Homepage
https://pxgroup.com/de/news/category-nachrichten/metallisches-glas-der-pxgroup-s… Page PXGroup

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Der Beitrag Forschung im Weltraum: Glühende Glaströpfchen auf der ISS erschien zuerst auf Raumfahrer.net.