Treibstoffe für die Raumfahrt: Umweltfreundliche Alternativen zu Hydrazin

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Weltweit wird an umweltfreundlichen Alternativen zu Hydrazin (N₂H₄), das als Treibstoff für Satellitentriebwerke in der Raumfahrt eingesetzt wird, geforscht, denn Hydrazin ist eine sehr giftige anorganische chemische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff. Zwei vielversprechende Produkte aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sollen nun in den Weltraum und gleichzeitig auf den Markt gebracht werden. Dr. Lukas Werling und Felix Lauck aus dem DLR-Institut für Raumfahrtantriebe in Lampoldshausen gründen dazu das Start-up InSpacePropulsion Technologies.

Die beiden Wissenschaftler forschen seit vielen Jahren im DLR an fortschrittlichen Raketentreibstoffen. „Dabei wurde der Bedarf des Raumfahrtmarktes an kostengünstigen und trotzdem zuverlässigen Antriebslösungen immer offensichtlicher. Das gilt gerade auch für den New-Space-Bereich, in dem der Einsatz des teuren und giftigen Hydrazins oft gar nicht denkbar ist“, sagt Felix Lauck, einer der beiden Gründer der InSpacePropulsion Technologies GmbH i.G. (in Gründung). „New Space“ bezeichnet die Kommerzialisierung der Raumfahrt und ihre enge Verbindung mit der Wirtschaft.

HyNOx, eine der beiden entwickelten Antriebstechnologien, hat eine vergleichsweise hohe Leistung, ist sicher in der Handhabung und kostengünstig. Bei der zweiten Technologie handelt es sich um eine selbstzündende Treibstoffkombination mit dem Namen HIP_11, die vom DLR patentiert wurde. Beide Entwicklungen ergänzen sich: „HyNOx eignet sich für kleine und leichte Satelliten oder Raumfahrzeuge. HIP_11 hingegen bietet Vorteile bei größeren und schwereren Raumfahrzeugen“, erklärt InSpacePropulsion-Technologies-Gründer Dr. Lukas Werling.

Triebwerke für HyNOx-Treibstoffe aus dem 3D-Drucker

HyNOx ist ein Zweikomponententreibstoff und besteht aus Lachgas (N₂O) und Ethan (C₂H₆). Die Komponenten sind weltweit gut verfügbar. Zusätzlich werden die passenden Triebwerke im 3D-Druck Verfahren hergestellt, was Kosten reduziert und kurze Herstellungszeiten ermöglicht. HyNOx Treibstoffe wurden beim DLR sowohl als vorgemischter Einkomponenten-Treibstoff, als auch als klassischer Zweikomponententreibstoff erprobt. „In inzwischen mehreren tausend Heißläufen am Prüfstandskomplex M11 in Lampoldshausen zeigte sich das Potenzial des Treibstoffs. Die Ausgründung fokussiert sich dabei auf die Anwendung von HyNOx als Zweikomponententreibstoff“, sagt Lukas Werling. Die Basis für die Entwicklungen bilden zahlreiche DLR-interne sowie von der ESA geförderte Projekte.

In den letzten Monaten haben die Forschenden HyNOx-Triebwerke mit unterschiedlichen Schubklassen getestet. Ihr Start-up treibt nun die Weiterentwicklung und die anschließende Demonstration der Technologie im All voran.

HIP_11 – selbstzündend und leistungsstark

Den Treibstoff „HIP_11“ (Hypergolic Ionic Propellant developed at M11) hat Felix Lauck im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Versuche verliefen erfolgreich, zusätzlich wurde der Treibstoff patentiert. „Eine Komponente von HIP_11 ist konzentriertes Wasserstoffperoxid, ein leistungsstarker und gut zu handhabender Oxidator. Bei der zweiten Komponente handelt es sich um ein Salz, das eine sehr geringe Schmelztemperatur aufweist und damit bei Raumtemperatur flüssig ist. Sobald dieses Salz mit Wasserstoffperoxid in Kontakt ist, reagieren die Stoffe miteinander und es kommt zur Zündung“, erklärt Felix Lauck. Diese selbstzündende Eigenschaft heißt „hypergol“. Die hypergole Zündung ist sehr zuverlässig. Selbstzündende Treibstoffe auf Hydrazin-Basis werden für viele Raumfahrt-Antriebe eigesetzt. „Bei HIP_11 handelt es sich nun um einen alternativen Treibstoff, der eine vergleichbare Leistung wie konventionelle Treibstoffe bietet. Er ist jedoch viel einfacher zu handhaben. Auch das reduziert die Kosten von HIP_11-Antrieben gegenüber konventionellen Technologien deutlich“, ergänzt Felix Lauck.

Der Weg zur Ausgründung

Die beiden InSpacePropulsion-Technologies-Gründer möchten mit ihren im DLR entwickelten Technologien eine kostengünstige und nachhaltige Raumfahrt voranbringen. Bereits kurz nach dem Start ihres Ausgründungsprojekts erhielten Felix Lauck und Lukas Werling die ersten Absichtserklärungen (sogenannte Letters of Intent) der Industrie. „Die Technologien stoßen auf großes Interesse“, sagt Lukas Werling. Auch mit dem DLR wird eine starke und langfristige Kooperation angestrebt. Schon im kommenden Jahr sollen die Triebwerke und Systeme im All erprobt werden.

Während der Gründungsphase werden die beiden Wissenschaftler vom DLR-Technologietransfer und von der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. „Diese Ausgründung ist ein Beispiel dafür, wie wichtig und am Ende eben auch erfolgreich die professionelle und systematische Unterstützung von Ausgründungen im DLR ist. Wir begleiten die Gründungen von der ersten Idee, über die Marktsondierung, die Entwicklung von Produkt-Prototypen, Schulungen in Marketing und Vertrieb, Finanzierungsberatung und vielem mehr und machen sie so für den Markt fit. So bringen wir Forschungsergebnisse in die Anwendung, erzeugen Wertschöpfung und schaffen hochkarätige Arbeitsplätze“, erklärt Prof. Karsten Lemmer, Mitglied des DLR-Vorstands und verantwortlich für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen.

Die Forschung geht weiter

Das DLR-Institut für Raumfahrtantriebe, an dem die Gründer angestellt sind, forscht weiter an fortschrittlichen Treibstoffen. In der Abteilung Satelliten- und Orbitalantriebe arbeiten die Forschenden insbesondere an neuen Treibstoffmischungen und darauf abgestimmten Antriebssystemen. Auch ihr Ziel ist es, die Luft- und Raumfahrt nachhaltiger, einfacher, günstiger und sicherer zu machen.

Satelliten spielen im Alltag eine wichtige Rolle: Sie sind unter anderem Grundlage für die Erforschung und Überwachung des Klimawandels, aber auch für Anwendungen in der modernen Landwirtschaft sowie im Katastrophenschutz und in der Kommunikation und Navigation.