Innovativ: FH-Professor entwickelt neue Methode für die Raumfahrt

Mal ist es zu heiß, dann wieder zu kalt: Starke Temperaturschwankungen machen nicht nur uns Menschen zu schaffen. Extreme Hitze oder Kälte verkürzen die Lebensdauer eines technischen Geräts erheblich.

Ein Satellit im Orbit ist je nachdem, ob er im Schatten oder im Schein der Sonne fliegt, Temperaturen von unter -150°C bis zu +150°C ausgesetzt. Prof. Markus Czupalla vom FH-Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik und sein Team haben eine neue Methode „Infused Thermal Solutions“ entwickelt, die die Temperatur von betroffenen Raumfahrzeugkomponenten stabilisieren soll.

„Damit kommt es nicht mehr zur Verformung der Bauteile“, erläutert er, „und somit zu einer Verschlechterung der Effizienz.“ Die Gefahr bestehe darin, dass die damit verbundene Leistung dadurch verringert oder die Lebensdauer verkürzt wird.

Die Methode vereint herkömmliche Konzepte mit modernen Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck und der passiven Thermalkontrolle. Die Idee: Wachs wird in die hohle Wand innerhalb eines Satellitenbauteils gefüllt. „Wenn die Art des Wachses und die Menge richtig gewählt sind, bleibt die Temperatur des Bauteils gleich. Das Wachs bindet während des Schmelzprozesses überschüssige Wärme und gibt sie während des Erstarrens, also in kalten Phasen, wieder ab“, sagt der FH-Professor.

Mehr als zwei Jahre habe er an dem Projekt gearbeitet, aber schon vorher vermutet, dass Wachs die Lösung des Problems sein könnte. „Wachs wurde bereits genutzt, um beispielsweise die Temperatur von Elektronikboxen in Satelliten zu stabilisieren“, erklärt Prof. Czupalla. Da habe er sich die Frage gestellt, ob dies nicht auch bei anderen Satellitenkomponenten möglich sei. In Zusammenarbeit mit dem FH-Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik wurde ein 3D-gedrucktes Satellitenbauteil eines Teleskops als Demonstrator verwendet.

Dass die Methode auch in der Praxis funktioniert, zeigten zunächst einmal Analysen, die nun über Tests verifiziert werden. Die analysierte Weltraumteleskopkomponente wird zunächst als doppelwandige Struktur gedruckt und mit Wachs befüllt. Danach muss das Bauteil die eigentlichen Tests bestehen.

Das Versuchsobjekt wird zunächst auf einem Rütteltisch (Shaker) der simulierten Beschleunigung eines Raketenstarts ausgesetzt. „Danach wird in einer Thermal-Vakuum-Kammer die Luft rausgepumpt, was das Vakuum des Weltraums simuliert. Die Temperatur wird über Kühl- und Heizplatten variiert“, erklärt Prof. Czupalla, „das „shake and bake“ -Verfahren müssen alle Weltraumkomponenten durchlaufen.“
„Vorabtest haben gezeigt, dass das Verfahren funktioniert“, ergänzt er, „denn die Temperatur bleibt bei rund 18 Grad Celsius konstant.“

Das sah die Jury der DLR Raumfahrtmanagement Challenge offensichtlich genauso, denn das Forschungsprojekt hat beim InnoSpace Masters 2018 die DLR Challenge für Raumfahrtanwendungen gewonnen. „Unser Sieg ist das Ergebnis eines erfolgreichen Projektes der FH Aachen und einer sehr schönen Zusammenarbeit der zwei Fachbereiche Luft- und Raumfahrttechnik sowie Maschinenbau und Mechatronik“, betont Prof. Czupalla.

Die meisten Punkte holte das Team für die überdurchschnittliche Transferleistung. „Wachs könnte nicht nur als Temperaturstabilisator in der Raumfahrt Anwendung finden, sondern auch im Automobilsektor. Das Ziel ist, mit Hilfe von Wachs die Lebensdauer eines Akkus im Elektroauto zu verlängern“, erklärt Prof. Czupalla.

Das Wachs speichere die überschüssige Wärme beim Laden und Entladen und gäbe sie in der Nacht ab. So kühle der Akku nachts nicht aus, wenn es kälter wird. Darauf hat er jetzt ein Patent angemeldet. „Der Alleskönner Wachs könnte definitiv in mehr Bereichen Anwendung finden“, fasst er zusammen.