Wed, 26 January, 2022
TWI hat vor kurzem an einem von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) finanzierten Projekt zur Erprobung umweltfreundlicherer Treibstoffe für Raumfahrzeuge mitgearbeitet. Dieses neue Forschungsgebiet spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der ökologischen Nachhaltigkeit des Raumfahrtsektors.
Welche Umweltauswirkungen haben die herkömmlichen Treibstoffe?
Derzeit ist Hydrazin der am häufigsten verwendete Treibstoff für Satellitentriebwerke. Weitere Verwendungszwecke sind die Betankung von Trägerraketen, Besatzungsmodulen, wissenschaftlichen Raumsonden und sogar CubeSats. Hydrazin ist für seine hohe Energie bekannt, gilt aber als hochgradig korrosiv und giftig, was seine Lagerung und Handhabung gefährlich macht.
In dem Bestreben, Hydrazin durch umweltfreundlichere Alternativen zu ersetzen, hat die ESA einen neuen Forschungszweig ins Leben gerufen, der sich mit der Entwicklung und der Förderung umweltfreundlicher Treibstoffe und Antriebssysteme befasst, die im Idealfall die Leistung verbessern und gleichzeitig die Umweltverschmutzung und Toxizität verringern. Ziel ist es, die Umwelt und die Arbeitskräfte vor Verunreinigungen zu schützen, aber auch finanzielle Vorteile zu erzielen, indem die für den Umgang mit giftigen Treibstoffen erforderliche Infrastruktur beseitigt wird, was die Kosten und den Zeitaufwand für den Start von Raumfahrzeugen verringern würde.
Aufgabenstellung
Im Rahmen dieser fortlaufenden Bemühungen sponserte die ESA eine Aktivität unter der Leitung von European Astrotech in Zusammenarbeit mit TWI, Moog und Airbus Defence sowie Space UK. Ziel war es, die Kompatibilität vielversprechender neuer grüner Treibstoffe mit einer Vielzahl von Materialien und Schweißnahtkombinationen zu untersuchen, die sowohl in herkömmlichen als auch in neuen Antriebssystemen zu finden sind. Dies war von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, ob Systemänderungen erforderlich sein würden, um die künftige Einführung neuer Treibstoffe zu ermöglichen.
Treibstoffkompatibilität: Wo soll man überhaupt anfangen?
Die Kompatibilität von Treibstoffen wird auf vielfältige Weise bewertet: von der Feststellung, ob es chemische Wechselwirkungen zwischen dem Treibstoff und den Trägermaterialien gibt, die den Treibstoff selbst beeinträchtigen könnten (ein Phänomen, das als Auslaugung bekannt ist), bis hin zur Berücksichtigung potenzieller Oxidation, Oberflächenbeschädigung oder Masseverlust der Trägermaterialien aufgrund von Korrosion oder sogar der Beurteilung, ob sich die Materialeigenschaften ändern (ein Beispiel wäre die Wasserstoffversprödung). Darüber hinaus sollte die Analyse ganzheitlich sein und die verschiedenen Materialien und Herstellungsmethoden berücksichtigen, die in Rohrleitungen, Ventilen, Düsen, Lagertanks usw. verwendet werden. Wenn die neuen Kraftstoffe mit den für die Herstellung eines Antriebssystems erforderlichen Werkstoffen und Schweißnähten kompatibel sind, sind im Idealfall nur begrenzte Änderungen erforderlich, was die Kosten für die Einführung niedrig hält und die Entwicklungszeit verkürzt.
Ansatz
In einer ersten Untersuchung des Konsortiums wurde ein Screening-Programm zur Prüfung von Proben aus Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und rostfreiem Stahl entwickelt, die mit verschiedenen Schweiß- und Verbindungstechniken bearbeitet wurden, nämlich:
Zwei grüne Treibstoffe wurden in Betracht gezogen:
- LMP-103S (flugerprobt bei der schwedischen Formationsflugmission Prisma)
- HTP (hochgetestetes Wasserstoffperoxid, das bereits in früheren britischen Raketen verwendet wurde)
Bei den Tests wurde die Zersetzung der Schweißnähte, der Materialien und der Treibstoffe über einen Zeitraum von acht Monaten bei erhöhter Temperatur untersucht. Dieses beschleunigte Testverfahren ermöglichte die Nachbildung des Äquivalents von 5,33 Jahren in der Umlaufbahn (was repräsentativ für die relevanten Missionsdauern ist).
Ergebnisse
Die Versuche zeigten, dass LMP-103S eine gute Kompatibilität mit allen Schweißproben und -materialien aufwies und zudem leicht zu handhaben und zu lagern war.
Die Kompatibilitätstests in HTP haben gezeigt, dass eine sorgfältige Materialauswahl für Antriebssysteme erforderlich ist. Titan wurde als unverträglich mit HTP angesehen. Die getesteten Al-Li-Legierungen und rostfreien Stahlsorten zeigten in der ersten Zeit der Exposition eine gewisse Verschlechterung, obwohl die Ergebnisse darauf hindeuten, dass dies durch eine kontrollierte Vorbehandlung mit Wasserstoffperoxid verbessert werden könnte, um die Oberflächenpassivierung zu fördern und eine schützende Oxidschicht zu erzeugen, die die Verschlechterung verzögert. Weitere Untersuchungen darüber, wie sich verschiedene Oberflächenbehandlungen auf die Kompatibilität mit HTP auswirken, werden empfohlen. Die getestete AlMgSc-Legierung schnitt in der Mehrzahl der Tests gut ab. Sie zeigte eine gute Kompatibilität sowohl mit HTP als auch mit LMP-103S. Dieses Material sollte für zukünftige Anwendungen mit grünen Treibstoffen in Betracht gezogen werden.
In Bezug auf die Kompatibilität wurde LMP-103S als der günstigste Kandidat für den Ersatz von Hydrazin in Raumfahrzeugantriebssystemen angesehen.
Abbildung 1. Kandidaten für "grüne" Satellitentreibstoffe in einem temperaturgesteuerten Inkubator, der erhitzt wird, um die Beschleunigung der Zeit zu simulieren (Foto: ESA und European Astrotech)
TWIs Rolle
TWIs Aufgabe war, zu untersuchen, ob und wie die grünen Treibstoffe die strukturelle Integrität der verschiedenen Materialien und Schweißproben beeinflussen. Dies erforderte die Durchführung von metallografischen Untersuchungen, Zugversuchen, Bruchzähigkeitsprüfungen und Härteuntersuchungen an den Proben vor und nach dem Eintauchen in den Treibstoff für unterschiedliche Zeitdauern. TWI entwickelte auch eine FSW-Schweißanweisung zum Rührreibschweißen von Al-Li-Legierungen, das im Zusammenhang mit der Herstellung von Treibstofftanks für Trägerraketen und Satelliten von besonderer Bedeutung ist.
Die übrigen Proben wurden von den Antriebsexperten Moog und Airbus Defence and Space durch Schweißen und additive Fertigung hergestellt. Die Kompatibilitätstests und das gesamte Programm wurden von European Astrotech geleitet, einem Spezialisten für die Chemie von Treibstoffen und den Betrieb von Startanlagen.
Der Projektleiter von TWI, Joao Gandra, erklärte: „Unser Team ist sehr erfreut, zu dieser Aktivität beigetragen zu haben. Umweltfreundlichere Treibstoffe spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der ökologischen Nachhaltigkeit der Raumfahrtindustrie – ein Sektor, der in Europa und weltweit weiter wachsen wird. Dieser neue Technologiebaustein wird die Sicherheit von Startvorgängen verbessern und gleichzeitig deren Kosten senken, wodurch die Branche letztlich zugänglicher wird.“
Das Projekt wurde durch das ESAs Technologieentwicklungs-Element unterstützt, das vielversprechende Innovationen für die Raumfahrt untersucht. Es ist eine Reaktion auf die Verordnung der Europäischen Kommission zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (Restriction of Chemical Substances, REACH), die darauf abzielt, die Verwendung chemischer Stoffe durch die Industrie zu begrenzen, die für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt gefährlich sein können.