Raumfahrt : Abgespact: Peak Technology entwickelt Satellitentanks für die ESA

Der österreichische Leichtbauspezialist entwickelt Tanks für die neueste Generation an elektrisch angetriebenen Satelliten. Diese bestehen aus einer extradünnen Innenschicht aus Aluminium, die mit Krypton oder Xenon gefüllt und mit Kohlefaser ummantelt wird. Da etwa für die Realisierung eines weltweiten 5G-Netzes Megakonstellationen aus mehreren Tausend Satelliten notwendig werden, darf Peak Technology auf eine gute Auftragslage hoffen.

Peak Technology-Gründer und -Geschäftsführer Dieter Grebner fasst die ESA-Aufgabenstellung zusammen: „Restlos soll sich jener Treibstofftank, den wir bauen, beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auflösen. Weltraumschrott ist tabu und nichts darf auf der Erde landen.“ Obwohl der Wiedereintritt mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit erfolgt und dabei Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius entstehen, ist das etwa bei den bisher verwendeten Titan-Tanks nicht ausgeschlossen. Zwar liegt der Schmelzpunkt von Titan bei knapp 1.700 Grad Celsius. „Die Ummantelung aus Kohlefasern isoliert aber so gut, dass die Innenschicht die nötige Schmelztemperatur oft nicht erreicht“, erklärt Robert Greinecker, Head of Sales Aerospace bei Peak. Deshalb setzen seine Kollegen auf eine Doppelstrategie: Einerseits wird Titan durch Aluminium ersetzt, andererseits wird die Hitzebeständigkeit des Kohlefasermantels gesenkt.

Mit einem Schmelzpunkt von circa 700 Grad Celsius und seinem geringen Gewicht ist Aluminium für den Einsatz als Satelliten-Tank bestens geeignet. Trotzdem muss die Innenschicht möglichst dünn sein, um das Gesamtgewicht des Satelliten gering zu halten. Gleichzeitig muss sie stabil genug sein, um in Verbindung mit der Kohlefaserhülle 200 bar Xenon oder 300 bar Krypton Stand zu halten. In der Designphase wird das perfekte Verhältnis zwischen möglichst geringem Gewicht durch dünne Wandstärke und geforderter Stabilität austariert. Sind alle Vorberechnungen durchgeführt und ist diese Balance gefunden, wird das Design in einen CAD-Entwurf überführt. „Was folgt, ist ein wahrer Marathon an Simulationen, Tests und dazwischen stattfindenden Optimierungen“, erklärt Robert Greinecker.

Aufgrund der enormen Kosten eines Satellitenstarts gibt es keinerlei Fehlertoleranz. Deshalb arbeitet Peak Technology nicht nur mit externen Partnern für die Simulation zusammen, sondern auch mit dem Österreichischen Gießerei Institut (ÖGI) in Leoben und der auf Wiedereintrittsanalysen und Satellitenaerodynamik spezialisierten Hyperschall Technologie Göttingen GmbH (HTG). So bekommt das ÖGI von Peak Technology sogenannte „Material-Coupons“ – also Proben der Kohlefaserhülle des Tanks – zum Test der thermophysikalischen Eigenschaften. Sind diese Test positiv verlaufen, beginnt eine Entwicklungsphase, die auch für Peak Technology Neuland ist: „Da die Struktur der Tanks aus Kohlefaser gefertigt wird, bilden sich bei der enormen Hitzeentwicklung beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre Gewebeknäuel, die sehr gut isolieren und das restlose Verglühen des Metalls verhindern“, erklärt Peak- Projektleiter Manuel Schleiffelder.

Aufwändig ist freilich auch die Produktion der Aluminium-Innenschicht des Treibstofftanks. Dieser hat eine Wandstärke von rund einem Millimeter und wird in zwei Schritten gefertigt: Zuerst werden zwei Einzelteile produziert, die danach verschweißt und schließlich mittels Computertomographie einer kompromisslosen Qualitätsprüfung unterzogen werden. Mit Kohlefaser umwickelt wird die Innenschicht erst, wenn die Coupontests im ÖGI positiv verlaufen sind. Danach folgen zerstörende und zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen. Mit höchster Spannung erwarten die Entwickler die Ergebnisse aus Göttingen. Dort simuliert bei HTG das Programm SCARAB (SpaceCraft Atmospheric Re-entry and Aerothermal Break-up) den Wiedereintritt eines Satelliten im Detail. „SCARAB berechnet nicht nur, wann der Flugkörper auseinanderbricht, sondern auch den Zeitpunkt an dem einzelne Bruchstücke entweder den Boden erreichen oder vollständig verglühen“, präzisiert Schleiffelder.

Mit der Entwicklungsarbeit am ESA-Projekt haben die Peak-Techniker im Juni 2019 begonnen. Gegen Ende 2020 sollen diese abgeschlossen sein. „Mitte 2021 dürften dann die ersten Treibstofftanks aus unserem Haus ihre Reise in den erdnahen Orbit antreten“, erklärt Peak Technology-Geschäftsführer Dieter Grebner. So aufwändig die Planungs- und Entwicklungsarbeit ist, so vielversprechend sind die wirtschaftlichen Perspektiven. „Wir rechnen damit, dass in den nächsten Jahren mehrere tausend Satelliten zur Stützung der Internet-Infrastruktur in den erdnahen Orbit – also 300 bis 700 Kilometer über der Erdoberfläche – gebracht werden. Alle diese Satelliten brauchen einen Treibstofftank, der beim Wiedereintritt restlos verglüht, damit kein zusätzlicher Weltraumschrott entsteht“, betont Grebner.