Die steigende Anzahl an jährlichen Satellitenstarts und die Transformation weg von hochpreisigen Einzelsatelliten hin zu Megakonstellationen mit Hunderten oder Tausenden Kleinsatelliten, die präzise in spezifische Umlaufbahnen gebracht werden müssen, stellen den Satellitenmarkt vor einen grundlegenden Wandel. Dieser neu entstehende Satellitenmarkt bietet die Möglichkeit für die Entwicklung neuer, effizienterer Logistik-Ökosysteme, bestehend aus wiederverwendbaren Trägerraketen, Treibstoffdepots und dedizierten Raumtransportern.
Die Entwicklung spezialisierter Raumtransporter oder In-Space Transportation Vehicles (ISTVs) ermöglicht eine präzise, effiziente und flexible "Last-Mile-Delivery" im Orbit. Durch die Möglichkeit, an Treibstoffdepots aufzutanken, können diese ISTVs vollständig wiederverwendet werden. Derzeit schwer umzusetzende Missionen zur Wartung bestehender Infrastruktur in der Erdumlaufbahn und komplexe Explorations-Missionen außerhalb der Erdumlaufbahn können durch die Möglichkeit der Wiederbetankung ermöglicht werden.
Für den wirtschaftlichen Betrieb dieser ISTVs sind leistungsfähige Antriebssysteme notwendig. Mit dem schrittweise eingeführten Verbot des in herkömmlichen Raumfahrtantrieben verwendeten Hydrazins durch das EU-REACH-Übereinkommen können steigende Ansprüche an Leistung, Umweltverträglichkeit und Kosteneffizienz in Zukunft nur von kryogenen Treibstoffen wie Sauerstoff, Methan und Wasserstoff erfüllt werden.
Die Verwendung kryogener Treibstoffe birgt im Rahmen des beschriebenen Logistik-Ökosystems besondere Herausforderungen in Bezug auf Treibstofflagerung, Treibstofftransfer, Zündung und den Betrieb der Triebwerke.
Projektbeschreibung
Ziel des Kaltstart-Projektes ist es, die für die Entwicklung und Erforschung von kryogenen Weltraumtransportsystemen notwendigen Forschungsinfrastrukturen zu errichten. Konkret werden drei Teststände zur Erforschung der Lagerung und Handhabung kryogener Treibstoffe, der Wiederzündung der Brennkammer und der Entwicklung kryogener Raketentriebwerke errichtet.
Lagerung und Handhabung kryogener Treibstoffe
Um wiederverwendbare ISTVs zu entwickeln, müssen kryogene Treibstoffe über lange Zeiträume in Depots und auf den Raumtransportern selbst gelagert werden. Hierbei liegt die Umgebungstemperatur der Tanks deutlich über dem Siedepunkt der Treibstoffe, die zur Verwendung im Triebwerk in flüssiger Form vorliegen müssen. Um das Verdampfen und den dadurch hervorgebrachten Verlust an Treibstoff zu verhindern, müssen daher effiziente Isolationen und Kühlsysteme entwickelt werden.
Zur Untersuchung des Verhaltens kryogener Treibstoffe während der Lagerung und aktiven Kühlsystemen wird ein Teststand für weltraumähnliche Thermalumgebungen eingerichtet. Neben Versuchen zur Untersuchung von Phasenübergängen unter verschiedenen Betriebsbedingungen soll dieser Teststand die Untersuchung von Kapillarstrukturen zur Flüssigkeitsakquirierung in Schwerelosigkeit ermöglichen.
Wiederzündung der Brennkammer
Die zuverlässige wiederholte Zündung kryogener Raketentriebwerke in Schwerelosigkeit stellt eine besondere Herausforderung dar. Ein innovativer, vielversprechender Ansatz ist die Resonanzzündung, bei der ein Gasgemisch allein durch strömungsinduzierte Druck- und Temperaturspitzen in einem Resonanzrohr entzündet wird. Das System besteht aus zwei präzise angesteuerten Solenoidventilen für Brennstoff und Oxidator sowie einer Düse mit einem abgestimmten Resonanzkanal. Wenn die Treibstoffe schlagartig injiziert werden, entstehen im Rohr akustische Druckwellen, die sich je nach Geometrie aufschaukeln.
Projektbeschreibung
Ziel des Kaltstart-Projektes ist es, die für die Entwicklung und Erforschung von kryogenen Weltraumtransportsystemen notwendigen Forschungsinfrastrukturen zu errichten. Konkret werden drei Teststände zur Erforschung der Lagerung und Handhabung kryogener Treibstoffe, der Wiederzündung der Brennkammer und der Entwicklung kryogener Raketentriebwerke errichtet.
Lagerung und Handhabung kryogener Treibstoffe
Um wiederverwendbare ISTVs zu entwickeln, müssen kryogene Treibstoffe über lange Zeiträume in Depots und auf den Raumtransportern selbst gelagert werden. Hierbei liegt die Umgebungstemperatur der Tanks deutlich über dem Siedepunkt der Treibstoffe, die zur Verwendung im Triebwerk in flüssiger Form vorliegen müssen. Um das Verdampfen und den dadurch hervorgebrachten Verlust an Treibstoff zu verhindern, müssen daher effiziente Isolationen und Kühlsysteme entwickelt werden.
Zur Untersuchung des Verhaltens kryogener Treibstoffe während der Lagerung und aktiven Kühlsystemen wird ein Teststand für weltraumähnliche Thermalumgebungen eingerichtet. Neben Versuchen zur Untersuchung von Phasenübergängen unter verschiedenen Betriebsbedingungen soll dieser Teststand die Untersuchung von Kapillarstrukturen zur Flüssigkeitsakquirierung in Schwerelosigkeit ermöglichen.
Wiederzündung der Brennkammer
Die zuverlässige wiederholte Zündung kryogener Raketentriebwerke in Schwerelosigkeit stellt eine besondere Herausforderung dar. Ein innovativer, vielversprechender Ansatz ist die Resonanzzündung, bei der ein Gasgemisch allein durch strömungsinduzierte Druck- und Temperaturspitzen in einem Resonanzrohr entzündet wird. Das System besteht aus zwei präzise angesteuerten Solenoidventilen für Brennstoff und Oxidator sowie einer Düse mit einem abgestimmten Resonanzkanal. Wenn die Treibstoffe schlagartig injiziert werden, entstehen im Rohr akustische Druckwellen, die sich je nach Geometrie aufschaukeln.
Während der Aufbau eines Resonanzzünders relativ simpel ist, liegt der Funktion komplexes Fluidverhalten zugrunde. Zur Untersuchung der genauen Mechanismen der Hitzeentstehung durch die Strömung im Resonanzrohr sollen diese mit moderner optischer Messtechnik unter weltraumnahen Bedingungen analysiert werden.
Entwicklung kryogener Raketentriebwerke
Die Entwicklung kryogener Raketentriebwerke für die Verwendung im Weltraum stellt besondere Anforderungen in Bezug auf Wiederverwendbarkeit und Drosseln des Schubes.
Die Wiederverwendbarkeit erfordert, dass Triebwerke einer Vielzahl von Zyklen standhalten müssen, wobei die wiederholten Start-, Zünd- und Abkühlvorgänge starke thermomechanische Belastungen erzeugen. Zum anderen erfordert zum Beispiel das präzise Andocken an Raumfahrzeuge ein exaktes Drosseln und eine schnelle Pulsmodulation des Schubes. Insbesondere Treibstoffeinspritzung und regenerative Kühlung spielen hierbei eine große Rolle. Zur Untersuchung ebendieser Vorgänge wird im Rahmen des Kaltstartprojektes der mobile Raketentriebwerksteststand „MOZART“ zur Verwendung kryogener Treibstoffe ausgestattet.
Förderung
Niedersächsische Investitions- und Förderbank (NBank)
Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Land Niedersachsen
Förderprogramm: Innovationen durch Hochschulen und Forschungseinrichtungen
Laufzeit: April 2026 bis März 2028