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Mit keramischen Hybridmaterialien für die Wärmeaufnahme Hyperschallflüge ermöglichen

Die Innenseiten der heutigen Raketentriebwerke können extreme Temperaturen von 3 500 °C erreichen – heiß genug, um das beständigste Metall zu schmelzen. Thermalschutzsysteme müssen auch der sengenden Hitze standhalten, die durch die Erdatmosphäre während des Aufstiegs und Wiedereintritts des Flugkörpers erzeugt wird.

Industrielle Technologien
Weltraum

Fliegen mit Hyperschall bedeutet, sich mit einer Geschwindigkeit von Mach fünf oder höher fortzubewegen, was mindestens fünfmal schneller als die Schallgeschwindigkeit ist oder ungefähr 6 000 km/h entspricht. Bei solch hohen Geschwindigkeiten kann die starke Hitze, die durch die Luft in der Atmosphäre erzeugt wird, die strukturelle Integrität von Flugzeugen und Raketen beeinträchtigen. Die Temperaturen, denen die Flugkörper ausgesetzt sind, können auf weit über 2 000 °C steigen, während sich ätzende Gase und Partikel erheblich auf ihre Oberfläche auswirken können. Strukturelle Probleme entstehen vor allem durch Oxidation und Ablation – wenn Oberflächenschichten durch extrem heiße Luft und extrem heißes Gas von den metallischen Werkstoffen der mit Hyperschallgeschwindigkeit fliegenden Flugkörper abgetragen werden. Thermalschutzsysteme müssen solchen extremen Temperaturen und starken mechanischen Erschütterungen beim Aufstieg in die Umlaufbahn oder beim Wiedereintritt aus dem Weltraum standhalten. Im Bereich der Triebwerke werden die Düsen der Raketenantriebe mit rauen thermochemischen und mechanischen Umgebungen konfrontiert, die durch Hochleistungstreibstoffe erzeugt werden. Die Raketentriebwerke der nächsten Generation müssen sogar noch heißer sein, um weniger Treibstoff zu verbrennen, mehr Schub zu verleihen und größere Lasten zu tragen. „Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, die aus keramischen Fasern hergestellt werden, welche in eine keramische Matrix eingebettet sind, sind die einzigen Materialien, die möglicherweise hohe Temperaturschocks und kritische mechanische Belastungen überstehen könnten. Herkömmliche Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe erfüllen jedoch nicht die damit verbundenen Ablationsanforderungen, was dazu führt, dass Trägerraketen beim Wiedereintritt zerstört oder nach dem ersten Start im Weltraum entsorgt werden“, so Diletta Sciti, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts C3HARME.

Mit keramischen Hybridmaterialien die Grenzen weiter ausdehnen

C3HARME entwickelte und testete eine neue Klasse von Hybridmaterialien, die als Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe bezeichnet werden und die mit dem Hyperschallflug verbundenen Probleme lösen sollen. Diese neue Klasse vereint leichte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, die eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Zähigkeit aufweisen, mit ihren schwereren und härteren Pendants – den Ultrahochtemperaturkeramiken – die ab einer bestimmten Temperatur eine geringere Erosion verzeichnen. Diese Hybridmaterialien ermöglichen zudem auch experimentellen Handlungsspielraum und ihre Struktur kann skalenübergreifend angepasst werden. Was diese Materialien einzigartig macht, ist, dass sie mithilfe fortschrittlicher Prozesse hergestellt wurden, welche die Synthesezeit und -kosten reduzieren. Die Forschenden nutzten das Potenzial des Spark-Plasma-Sinterverfahrens, das eine ultraschnelle Verfestigung ermöglicht, sowie der Polymerinfiltration und -pyrolyse, die das Standardverfahren für die Herstellung aktueller Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe mit Siliziumkarbid- oder Kohlenstoffmatrizen darstellt. Insgesamt gelang es dem Team, mehr als 1 000 Proben in verschiedenen Formen zu produzieren. „Mit einer Gesamthöhe von 160 mm und einem Gewicht von 11 kg haben wir den Rekord für die dickste jemals synthetisierte Scheibe gebrochen – und damit einen neuen Maßstab für das Spark-Plasma-Sinterverfahren aufgestellt“, fügt Sciti hinzu.

Selbstheilende, kostengünstige Materialien

Unter bestimmten Bedingungen können Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe beginnende Schäden beheben, bevor diese sich ausbreiten. Die in der Keramikverbundwerkstoffformel zugesetzten Substanzen in Nanogröße lösen bei thermischer Belastung die Bildung einer äußeren festen Schutzschicht und einer inneren flüssigen Phase aus, welche die Fehlstellen ausheilen. Diese Fähigkeit zur Selbstheilung ermöglicht die Wiederverwendbarkeit von Raketen für mehrere Wiedereintritte. „Die neu entwickelten Materialien zeigten im Vergleich zu Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die derzeit in Raketendüsen verwendet werden, nahezu keine Erosion und Ablation“, merkt Sciti an. „Die Verfügbarkeit einer neuen Werkstofffamilie, die strukturelle Integrität, Thermalschutz sowie nahezu keine Erosion und Ablation bietet, wird die Entwicklung effizienterer Treibstoffe fördern, während wiederverwendbare Komponenten Kosten und Abfall reduzieren.“ Die Einsatzmöglichkeiten von Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen gehen jedoch weit über den Hyperschallflug hinaus. So könnten die neuen Materialien auch dazu genutzt werden, um die Lebensdauer des Materials in Kernreaktoren der nächsten Generation oder in konzentrierenden Solarkraftwerken zu verlängern.

Schlüsselbegriffe

C3HARME, Rakete, Hyperschall, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, Ablation, Thermalschutzsysteme, Raketendüsen, Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe

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