Kohlefasern und Prepreg-Materialien aus der EU für künftige Raumfahrzeuge
Verbundwerkstoffe zur Anwendung in der Raumfahrt müssen leicht und dennoch stabil sein. Sie müssen auch belastbar sein und große Temperaturschwankungen aushalten. Vor diesem Hintergrund sind Hochmodul-Kohlefasern und die ähnlichen faserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffe kritische Materialien für künftige Raumfahrzeuge. „Verbundwerkstoffe werden bisher zumeist durch nicht-europäische Unternehmen geliefert. Wir brauchen Produktionsanlagen in Europa, um die Unabhängigkeit in diesem Bereich sicherzustellen. Da diese Materialien auch militärische Anwendung finden, ist der Erwerb von japanischen oder US-amerikanischen Lieferanten nicht unbedingt einfach“, erklärt Nuno Rocha, der Koordinator des EU-finanzierten Projekts SpaceCarbon. „In Anbetracht der strategischen Bedeutung der Raumfahrtindustrie, insbesondere von Satelliten, ist die Liefersicherheit wichtig, um den durchgängigen Betrieb von Raumfahrtprogrammen zu gewährleisten.“
Europa als Vorreiter der Verbundwerkstoffproduktion
Diese Erkenntnis formte die Aufgabe des Projekts EUCARBON. Die erste europäische Fertigungslinie für ein Vorprodukt-Material (eine Polymer-basierte Faser als Rohmaterial für die Fertigung von Kohlefasern) wurde in der FISIPE-Anlage nahe Lissabon in Portugal errichtet. Die Produktionskapazität genügt dem erwarteten Bedarf an Hochmodul-Kohlefasern für Satelliten-Unterkomponenten. Die ersten gefertigten Kohlefasern erreichten ein Zugmodul von 348 GPa und eine Zugfestigkeit von 4 200 MPa. Das war die beste Hochmodul-Faser, die in Europa bis zu dem Punkt gefertigt wurde, und stellt einen wichtigen Schritt dabei dar, die Kapazität zur Entwicklung und Fertigung von Hochmodul-Kohlefasern einzurichten. SpaceCarbon hat auf dem Erfolg von EUCARBON aufgebaut und die Eigenschaften der Kohlefasern sowie den Fertigungsprozess weiter ausgebaut, um die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte im Vergleich zu denen aus Nicht-EU-Ländern zu stärken. SpaceCarbon hat auch die Kapazität der Pilotanlage auf Mittelmodul-Fasern für Trägerstrukturen ausgeweitet.
Mittel- und Hochmodul-Kohlefasern für Demonstratoren
„Wir haben zwei Satellitenkomponenten mit Hochmodul-Kohlefasern gefertigt: einen kompletten Sandwich-Reflektor und ein Strukturrohr. Die anvisierte Zugstärke der Kohlefasern lag zwischen 4 000 und 5 000 MPa und das Zugmodul zwischen 380 und 400 GPa“, berichtet Rocha. Der erste Demonstrator für die Trägerkomponenten war ein verkleinertes Fahrzeug, das mit einem vorimprägnierten Tow-Halbzeug gefertigt wurde. Der zweite Demonstrator – ein Unterteil (ein strukturelles Bauteil, das das Motorgehäuse mit dem Träger verbindet) – wurde mit TowPreg- und einseitigem Klebe-Halbzeug gefertigt. Zu den Versuchen gehörte die Fertigung von 50-k-, 24-k- und 12-k-Filament-Fasern. Die Zugstärke der gefertigten Kohlefasern lag zwischen 5 000 und 6 000 MPa, das Zugmodul zwischen 280 und 320 GPa.
Vielversprechende Prepreg-Zusammensetzungen
Die Projektaktivitäten umfassten auch die Entwicklung von fortschrittlichen Prepreg-Zusammensetzungen für Strukturverbundwerkstoffe für künftige Raumfahrzeuge. Die Prepregs wurden mit europäischen Fasern und Referenzfasern von einem Projektpartner entwickelt. Zwei Prepreg-Verfahren wurden umgesetzt: Imprägnierung mit Harz ohne Einsatz von Lösungsmitteln und die Schmelz-Imprägnierung, bei der fester Harz erhitzt wird, um die Fasern zu imprägnieren. Ein besonderer Fokus lag auf Tests der Harz-Ausgasung (eine wichtige Voraussetzung für Satellitenanwendungen). SpaceCarbon hat Strategien zur Materialhybridisierung eingesetzt, um die Festigkeit und Leiteigenschaften der Prepreg-Materialien zu verbessern und die Produktionskosten zu senken. Außerdem wurden Hybrid-Verbundwerkstoffe entwickelt und gefertigt, indem die Hochmodul-Faser-Prepregs teils mit solchen mit niedrigerem Modul zu geringeren Kosten ausgetauscht wurden. Die Leistungsanforderungen wurden nicht gesenkt. „Die neu entwickelten Materialien zeigen Wettbewerbsfähigkeit auf dem Faser- und Verbundwerkstoffmarkt für Anwendungen in der Raumfahrt. Dass sie in Europa hergestellt werden, garantiert eine bessere Verfügbarkeit und kürzere Lieferzeiten“, schließt Rocha.
Schlüsselbegriffe
SpaceCarbon, Kohlefasern, Prepreg, Verbundwerkstoffe, Satellit, Träger, Raumfahrzeug, Europa, Stärke, Modul
