BU: Schwingungsdämpfung: ZF schützt empfindliche Weltraumfracht. Foto: ZF
Weltraumlogistik: Ein Raketenstart setzt nicht nur enorme Kräfte frei. Er versetzt auch die Trägerrakete, das Raumfahrzeug und dessen Nutzlast in Schwingungen. Besonders gefährlich wird es, wenn die Vibrationen auf die Eigenfrequenz empfindlicher Komponenten treffen. Dann können sich selbst geringe Anregungen so stark aufschaukeln, dass Bauteile beschädigt werden, Bordsysteme ausfallen oder die transportierte Fracht zerstört wird.
Für die kommerzielle Forschung und Fertigung im Weltraum ist das ein erhebliches Problem. Denn Materialien, biologische Proben oder im Orbit hergestellte Produkte müssen die Belastungen beim Start und bei der Rückkehr zur Erde überstehen, damit sie anschließend untersucht oder weiterverwendet werden können. Der Automobilzulieferer ZF und das europäische Raumfahrtunternehmen Space Cargo Unlimited wollen dieses Risiko mit einer aktiven Schwingungsdämpfung verringern. Gemeinsam entwickeln sie ein Lagerungskonzept, das kritische Schwingungen erkennt und die Belastung empfindlicher Nutzlasten insbesondere im Bereich schädlicher Eigenresonanzen reduziert.
„Wir bringen Automotive-Knowhow ins All“, sagt Torsten Gollewski, Leiter Zentrale Forschung und Entwicklung bei ZF. „Der Einstieg in Weltraum-Anwendungen ist für uns ein konsequenter Schritt, um ZF-Technologien in neuen, hochanspruchsvollen Umgebungen weiterzuentwickeln.“
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Warum Resonanzen zur Gefahr für Weltraumfracht werden
Die Belastungen beginnen bereits beim Raketenstart. Der Schub der Triebwerke erzeugt intensive Vibrationen, die sich über die Struktur der Trägerrakete bis in das Raumfahrzeug und dessen Nutzlast übertragen. Besonders kritisch sind Schwingungen im Bereich der Eigenfrequenzen einzelner Komponenten. Wird eine solche Resonanz angeregt, kann die Schwingungsamplitude erheblich zunehmen. Dadurch können die Innenraumstrukturen einer Transportkapsel ebenso gefährdet werden wie empfindliche Materialien und Experimente.
Ähnliche Probleme können beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auftreten. Auch während dieser Phase ist die Nutzlast starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die Folgen können weit über einzelne Beschädigungen hinausgehen. Nach Angaben der Projektpartner reichen die möglichen Auswirkungen von Schäden an der Kapselstruktur über den Ausfall von Bordsystemen bis zur vollständigen Zerstörung der transportierten Fracht.
Gerade bei Materialien, die im Weltraum hergestellt und anschließend auf der Erde weiterverarbeitet oder untersucht werden sollen, entscheidet der Schutz vor solchen Belastungen darüber, ob die Ergebnisse der Weltraummission ihren wissenschaftlichen oder wirtschaftlichen Wert behalten.
„Wir bringen Automotive-Knowhow ins All.“
Torsten Gollewski, Leiter Zentrale Forschung und Entwicklung bei ZF
Aktive Schwingungsdämpfung soll kritische Resonanzen reduzieren
ZF und Space Cargo Unlimited setzen deshalb auf ein aktives Lagerungskonzept. Anders als bei einer ausschließlich auf die Eigenschaften passiver Komponenten ausgelegten Lagerung soll das gemeinsam entwickelte System kritische Schwingungen erkennen und die Belastung in problematischen Frequenzbereichen gezielt reduzieren. Im Mittelpunkt steht dabei der Schutz empfindlicher Fracht während des gesamten Transports ins All und zurück.
Die Partner wollen vorhandene Technologien zur aktiven Dämpfung und zum Schwingungsmanagement an die besonderen Anforderungen der Raumfahrt anpassen. Space Cargo Unlimited bringt seine Erfahrungen mit Mikrogravitationsplattformen und dem Betrieb von Nutzlasten ein. ZF steuert Kompetenzen aus der Entwicklung von Schwingungsmanagementsystemen, der Fahrwerktechnik und der Systementwicklung bei.
Hinzu kommen erprobte Entwicklungsprozesse aus dem Automobilbau sowie die Fähigkeit zur schnellen Prototypenentwicklung. Diese soll eine praxisnahe Entwicklung des gemeinsamen Konzepts unterstützen.
Nicolas Gaume, CEO von Space Cargo Unlimited, erklärt: „Je mehr Materialien und Prozesse wir im Weltraum ermöglichen, desto wichtiger wird der Schutz sensibler Nutzlasten bei Start, Flug und Wiedereintritt. Die Zusammenarbeit mit ZF ermöglicht es uns zu untersuchen, wie sich bewährte Technologien zur Schwingungskontrolle an die besonderen Anforderungen der Raumfahrt anpassen lassen. Damit können wir zuverlässigere Lösungen für die kommerzielle Forschung und Fertigung unter Mikrogravitationsbedingungen entwickeln.“
Weltraumproduktion braucht zuverlässige Rücktransporte
Hinter dem Entwicklungsprojekt steht eine grundsätzliche Herausforderung: Wenn Forschung und industrielle Produktion unter Mikrogravitationsbedingungen wirtschaftlich genutzt werden sollen, müssen die dabei entstehenden Materialien und Produkte nicht nur im Orbit hergestellt, sondern auch sicher zur Erde zurückgebracht werden können. Space Cargo Unlimited entwickelt dafür Plattformen und Dienstleistungen für kommerzielle Forschung und industrielle Anwendungen im Weltraum.
Zu diesen Aktivitäten gehört die BentoBox-Plattform. Sie stellt eine autonome Umgebung für Experimente und Produktionsprozesse im Weltraum bereit und wird durch Missionsdienstleistungen ergänzt. Der Schutz empfindlicher Nutzlasten ist dabei Teil der technischen Infrastruktur, die wiederholbare Forschungs- und Fertigungsprozesse unter Mikrogravitationsbedingungen ermöglichen soll. Denn ein Experiment kann im Orbit erfolgreich verlaufen und dennoch seinen Nutzen verlieren, wenn die dabei entstandenen Proben oder Produkte während des Rücktransports beschädigt werden.
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Proteinkristalle und Pflanzenproben als empfindliche Fracht
Welche Bedeutung ein sicherer Transport haben kann, zeigen die unterschiedlichen Anwendungsfelder der Mikrogravitationsforschung.
Dazu gehört beispielsweise die Züchtung von Proteinkristallen unter den besonderen Bedingungen des Weltraums. Nach der Rückkehr zur Erde können Wissenschaftler diese Kristalle untersuchen, um Erkenntnisse über die Eigenschaften und Strukturen von Proteinen zu gewinnen. Solche Untersuchungen können wiederum für die Arzneimittelforschung von Bedeutung sein.
Auch biologische Proben von Nutzpflanzenarten lassen sich ins All transportieren und anschließend zur Erde zurückbringen. Anhand dieser Proben können Forschende das Wachstum und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen untersuchen. Für beide Anwendungsfelder ist entscheidend, dass die Proben den Transport und die Rückkehr zur Erde in einem Zustand überstehen, der weitere wissenschaftliche Untersuchungen ermöglicht. Die Schwingungsdämpfung soll dazu beitragen, entsprechende Risiken zu reduzieren.
Optische Fasern aus dem Orbit müssen unbeschädigt zurückkehren
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung spezieller optischer Fasern unter Mikrogravitationsbedingungen. Die Bedingungen im Weltraum ermöglichen nach Angaben der Projektpartner die Produktion besonders homogener Fasern, die auf der Erde nur schwer herzustellen sind. Allerdings sind diese Materialien empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen.
Bereits beim Start müssen sowohl die Produktionsanlagen als auch die mitgeführten Ausgangsmaterialien den auftretenden Vibrationen standhalten. Nach der Fertigung im Orbit kommt eine weitere Herausforderung hinzu: Die hergestellten Fasern müssen den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre und den anschließenden Rücktransport überstehen, ohne dass ihre Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Damit ist die Schwingungskontrolle nicht nur für den Transport von Experimenten relevant. Sie kann auch für industrielle Fertigungsprozesse im Weltraum eine wichtige Rolle spielen. Das gilt insbesondere für Produkte, deren Eigenschaften durch die Herstellung unter Mikrogravitationsbedingungen beeinflusst werden und die anschließend auf der Erde genutzt oder weiter untersucht werden sollen.
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ZF sucht in der Weltraumlogistik neue Anwendungen jenseits des Automobilbaus
Für ZF ist die Zusammenarbeit mit Space Cargo Unlimited zugleich ein Schritt in ein neues technologisches Anwendungsfeld. Das Unternehmen will seine Erfahrungen aus der Automobiltechnik nutzen, um Technologien für die besonderen Anforderungen der Raumfahrt weiterzuentwickeln.
„Die Raumfahrt macht sichtbar, dass sich unsere bestehenden Kerntechnologien auf völlig neue Anwendungsfelder übertragen und skalieren lassen“, sagt Gollewski. „Damit erschließen wir neue Einsatzfelder, die durch hohe technologische Anforderungen, besondere Innovationsgeschwindigkeit und attraktives Entwicklungspotenzial geprägt sind.“
Die Raumfahrt eröffnet ZF damit die Möglichkeit, vorhandene Technologiebausteine unter extremen Einsatzbedingungen zu erproben. Aus den dabei gewonnenen Erkenntnissen sollen sich perspektivisch auch Ansätze für skalierbare Lösungen in weiteren industriellen und mobilen Anwendungen ableiten lassen. Für die beiden Entwicklungspartner steht zunächst jedoch eine konkrete technische Aufgabe im Mittelpunkt: Empfindliche Nutzlasten sollen die mechanischen Belastungen einer Weltraummission möglichst unbeschadet überstehen.
Denn für die kommerzielle Forschung und Fertigung im Orbit reicht es nicht aus, Materialien erfolgreich ins All zu bringen. Sie müssen auch wieder sicher zur Erde zurückkehren.
