Entwicklung eines kugelförmigen Kryotanks ohne Liner

Trägerraketen für die Raumfahrt benötigen viel Treibstoff und viel Treibstoffspeicher. Typische Raketentreibstoffe wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff können als Gase bei Raumtemperatur gespeichert werden, aber da Gase eine relativ geringe Dichte haben, würde die Speicherung von genügend Gastreibstoffen für einen Weltraumstart sehr große Tanks erfordern, was das Gewicht des Raumfahrzeugs erhöht und begrenzt seine Nutzlast. Diese Treibmittel werden daher idealerweise als Flüssigkeiten mit höherer Dichte gelagert, was die Verwendung kleinerer und weniger Tanks ermöglicht, in denen sie gelagert werden können, aber viele gängige Treibmittel müssen auf ultrakalte Temperaturen gekühlt werden (auch als kryogen bezeichnet und allgemein als Temperaturen unter -150 °C oder -238 °F), um als Flüssigkeiten zu existieren.

Zu diesem Zweck kündigte Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Okla., USA) im April 2020 die Entwicklung eines kugelförmigen, auskleidungslosen Vollverbund-Kryotanks an – eines Druckbehälters zur Lagerung von kryogenen Treibstoffen auf raketenbetriebenen Trägerraketen.

Linerlose – auch als Typ V bezeichnete – Druckbehälter sind seit langem ein Ziel bei der Entwicklung von Hochdruckspeichertanks aus Kohlefaserverbundwerkstoff. Herkömmlicherweise haben Druckbehälter der Typen I bis IV zumindest einen gewissen Prozentsatz an Metall eingebaut, zumindest als Auskleidung zwischen dem gespeicherten Gas oder der gespeicherten Flüssigkeit und dem äußeren Verbundmaterial (Typ IV). Der Verzicht auf Metallkomponenten reduziert das Gewicht des Tanks erheblich, was im Fall von Treibstofftanks für Raumfahrzeuge entweder zu geringeren Kosten für den Start des Fahrzeugs oder zu einer erhöhten Nutzlastkapazität führt.

Jedoch neigen Vollverbundkonstruktionen für kryogene Brennstoffe wie Flüssigstickstoff oder Flüssigsauerstoff dazu, das schwer fassbare Problem der Mikrorissbildung im Laminat zu verursachen. Da ein Verbundlaminat extremen Temperaturen ausgesetzt ist, wie z. B. beim Abkühlen auf kryogene Werte, kann der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen den einzelnen Lagen zu Rissen und Undichtigkeiten führen. Viele Harzsysteme werden auch bei kryogenen Temperaturen spröde, was das Problem verschlimmert. Laut Matt Villarreal, CEO von ICT, hat Infinite Composites Technologies einen auskleidungslosen Kryotank entwickelt, der die Probleme mit Mikrorissen beseitigt.

Laut Villarreal werden kryogene Lagertanks aus Verbundwerkstoffen – insbesondere kugelförmige Tanks aufgrund ihrer geringeren Grundfläche – von vielen als Schlüsseltechnologie für die langfristige Erforschung und das Überleben im Weltraum angesehen. Obwohl viele Mondlander, die von Weltraumbehörden wie der NASA entwickelt werden, ein kugelförmiges Tankdesign aufweisen, waren kugelförmige Tanks bisher alle schwerer, weniger treibstoffeffiziente Metallkugeln oder kugelförmige metallische Verbunddruckbehälter (COPV). Der komplett zusammengesetzte Tank von ICT, CryoSphere genannt, bietet das Potenzial für eine leichtere, kraftstoffeffizientere Option zum Speichern von Kraftstoff.

Vom Rennwagen bis zur Rakete

Bevor Kryotanks Teil des Bildes waren, begannen Villarreal und sein Geschäftspartner Michael Tate ihre Karriere im Bereich der Konstruktion von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen während ihres Colleges an der Oklahoma State University (Stillwater, Oklahoma, USA). Im Jahr 2008 traten sie dem kleinen Formula SAE-Team der Schule bei, das an einem Design für ein Fahrzeug im Formel-1-Stil im Viertelmaßstab arbeitete, um an einer bevorstehenden internationalen Veranstaltung des College-Engineering- und Designwettbewerbs der Formula SAE teilzunehmen. Um dringend benötigte Finanzmittel von lokalen Erdgasunternehmen zu erhalten, halfen Villarreal und Tate dabei, das Fahrzeug des Teams auf den Betrieb mit komprimiertem Erdgas (CNG) umzurüsten Kraftstoffeffizienz so weit, dass sie das Auto während des 24-Stunden-Dauertests des Wettbewerbs viele Male auftanken mussten.

„Nach dem Rennen gingen wir zurück und recherchierten und fanden heraus, dass die Panzermasse in vielen verschiedenen Industrien ein großes Problem darstellt und eine Schlüsseltechnologie für saubere Energie für den Verkehr und die Weltraumforschung darstellt“, sagt Villarreal.

Während ihrer Forschungen zu Technologien, die leichtere CNG-Tanks ermöglichen, sagt Villarreal, dass er und Tate begonnen haben, über Konzepte für den Typ V nachzudenken, linerlose Verbundtanks, die in der Branche als „heiliger Gral“ der Druckbehälter gefeiert werden. Später im Jahr 2008 gründeten Villarreal und Tate ein Unternehmen namens CleanNG LLC, um zunächst Hochdrucktanks für die Erdgasspeicherung zu entwickeln. Seit 2013 wird der zylindrische InfiniteCPV-Druckbehälter aus Kohlefaserverbundstoff des Unternehmens in bodengebundenen und industriellen Anwendungen zur Lagerung von komprimiertem Erdgas und zunehmend auch komprimierten Krypton-, Stickstoff- und Heliumgasen verwendet .

Während das Unternehmen weiter an seinem Druckbehälterdesign arbeitete, sagten Villarreal, begannen Firmen, die Raumfahrzeuge bauen, mit Forschungs- und Entwicklungsmitteln an CleanNG zu wenden, um Versionen ihrer Tanks für den Einsatz in Raumfahrzeugen zu entwickeln. „Nach einiger Zeit wurde der Business Case für den Weltraum attraktiver“, sagt Villarreal.

Im Jahr 2016 änderte das Unternehmen seinen Namen in Infinite Composites Technologies, und in den Jahren seitdem hat sich ICT hauptsächlich auf kommerzielle Raumfahrtprojekte konzentriert, obwohl Villarreal sagt, dass das Unternehmen auch an Verteidigungsanwendungen wie Raketenmotorgehäusen sowie Militärflugzeugen und unbemannten arbeitet Luftfahrzeuge. Als Teil dieses Übergangs wurde das zylindrische infiniteCPV-Panzerdesign in mehrere Raketenträger integriert, die voraussichtlich 2020 fliegen werden.

Die CryoSphere, sagt Villarreal, ist im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des ursprünglichen unendlichen CPV-Tanks.

Entwicklung der CryoSphere

Als sich der Fokus von ICT mehr und mehr auf die Bedürfnisse von Raumfahrzeugen richtete, sagt Villarreal:"Wir begannen einen Trend zu erkennen, dass die eigentliche Herausforderung darin bestand, Verbundkryotanks herzustellen." Kryotanks oder Kryotanks sind Druckbehälter, die speziell entwickelt wurden, um nicht nur hohen Drücken, sondern auch extrem niedrigen Temperaturen standzuhalten, wie z um Weltraum-Trägerraketen anzutreiben.

Das Unternehmen beantragte beim Bundesstaat Oklahoma eine Finanzierung und erhielt 2013 vom Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) einen dreijährigen Zuschuss in Höhe von 300.000 US-Dollar für die Materialcharakterisierung und Materialprüfung eines Kryotank-Konzepts. „Das Projekt war mäßig erfolgreich“, sagt Villarreal. „Wir haben einige gute Materialkandidaten gefunden und hatten einen guten Hinweis darauf, dass wir mit dem Konzept vorankommen und uns für andere Dinge bewerben können.“

ICT stellte sein Kryotank-Konzept 2018 dem Johnson Space Center der NASA (Houston, Texas, USA) vor und startete später ein schnelles Entwicklungsprojekt für einen Verbundkryotank, der in einem Mondlander-Demonstrationsfahrzeug verwendet werden soll – ein Fahrzeug, das, so Villarreal, ähnlich war zu NASAs vorherigem Morpheus Testfahrzeug für Vertikalstart und Vertikallandung (VTVL). Zu den Leistungsanforderungen des Tanks gehörte die Fähigkeit, 10 Zyklen flüssigen Stickstoffs (LN2) bei einem Druck von 100 psi standzuhalten, was einen Temperaturabfall auf -290 °F und dann wieder auf Umgebungstemperatur mit sich brachte. Darüber hinaus durfte der Tank während eines 30-minütigen Helium-Checks zwischen jedem LN2-Zyklus nicht mehr als 10 psi fallen und musste einem Kryostoß von 1.000 psi (±100 psi) nach dem Zyklus standhalten.

Die erste Testrunde an einem zylindrischen Kryotank war ein Teilerfolg und überlebte nur fünf Kryozyklen. „Wir haben das Projekt beschleunigt und das Design im Wesentlichen in etwa acht Wochen überarbeitet“, sagt Villarreal. „Es war ein wahnsinniger Ansturm“, gibt er zu, „und der Tank überlebte einige thermische Zyklen, aber dann begann er undicht zu werden.“ Das Problem waren Mikrorisse im Laminat. Das Team beendete die Tests und ging dann „zurück zum Zeichenbrett“, sagt Villarreal.

„Die Kerntechnologie steckt in den Materialien“, sagt Efren Luevano, Engineering Manager von ICT. Die CryoSphere besteht aus Toray (Tokyo, Japan) T800-Kohlefaser und einem Epoxidharz und wird durch Filamentwickeln hergestellt, bei Raumtemperatur ausgehärtet und in einem Industrieofen (im Gegensatz zu einem Autoklaven) im ICT-Werk in Tulsa nachgehärtet.

Um das Dilemma der Mikrorisse zu lösen, begann ICT mit iterativen Tests verschiedener Arten von Additiven in einer proprietären, chemisch gehärteten Epoxidharzmatrix in unterschiedlichen Konzentrationen. Dabei entdeckte das Team eine Kombination aus zwei Additiven, die es bei erneuten Tests des Tanks ermöglichte, die thermischen Anforderungen der Konstruktion zu erfüllen. Eines davon ist Graphen.

„Für diesen Fall verwenden wir Graphen als mechanische Verstärkung im Nanobereich“, sagt Villarreal. Er erklärt, dass sich die Graphenplättchen, die von Applied Graphene Materials (Cleveland, Großbritannien) geliefert werden, über den Raum zwischen den Fasern erstrecken und ein Hindernis für die Bildung von Rissen im Laminat darstellen. Das Graphen verbessert auch die Festigkeit der Bindungen zwischen den Schichten.

„Sie versuchen, die Fasern an Ort und Stelle zu halten, während Sie den Tank unter Druck setzen und den Tank belasten“, erklärt Villarreal. Bei niedrigen Temperaturen wird das Harz spröde und beginnt zu brechen – wenn Druck auf die Fasern ausgeübt wird, beginnen sie übereinander zu gleiten und brechen die chemischen Bindungen zwischen ihnen auf, sagt er. Die Graphenplättchen wirken als mechanische Verstärkung zwischen den Faserschichten und verringern die Wahrscheinlichkeit von Bewegungen und Brüchen.

Ein zusätzlicher proprietärer Zusatzstoff wird auch in die Matrix eingearbeitet, der das Laminat bei niedrigen Temperaturen duktiler macht und dem Laminat mehr isolierende Eigenschaften verleiht. Neben Mikrorissen ist „[Isolierung] eine der Herausforderungen dieser Kryotanks“, sagt Villarreal. In den Tests dauerte das neue CryoSphere-Design mit dem Graphen-verstärkten Harz mit flüssigem Stickstoff fast eine Stunde, um „äußere Anzeichen von Kälte zu zeigen“. Obwohl es dafür keine besonderen Anforderungen gab, fügte er hinzu, dass sich bei früheren Tanks, die sie mit flüssigem Stickstoff getestet hatten, innerhalb von 10 Minuten nach dem Befüllen des Tanks mit flüssigem Stickstoff Frost auf der äußeren Tankoberfläche gebildet hatte.

Neben der kryogenen Kompatibilität, fügt Luevano hinzu, war das kugelförmige Design an sich schon eine Herausforderung. Der Vorteil der Kugelform besteht laut Villarreal darin, dass sie eine bessere Packungseffizienz für Anwendungen mit engen oder spezifischen Größenanforderungen wie Mondlandern ermöglicht. Eine Herausforderung bestand jedoch darin, dass das Rutschpotenzial während der Herstellung auf einer kugelförmigen Oberfläche im Vergleich zu einer zylindrischen Oberfläche größer war, was laut Villarreal sowohl auf den erforderlichen Wickelwinkel als auch darauf zurückzuführen war, dass die Oberflächenbeschaffenheit auf dem Dorn nicht genügend Reibung erzeugte, um dies zu halten die nassimprägnierten Fasern an Ort und Stelle – beides erschwerte die Faserkontrolle und das Ablegen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass die vom Team verwendete Musterdesign-Software für Zylinder optimiert war und mit dem normalen Workflow keine realisierbaren Muster für die Kugel erzeugen konnte. „Wir mussten mit Workarounds kreativ werden“, fügt er hinzu.

Das kugelförmige Design half auch bei dem Problem der Mikrorisse – ein unbeabsichtigter Vorteil, sagt Villarreal. Das Team stellte in einer frühen Design-Iteration fest, dass zwischen dem Boden des Tanks und der Oberseite des Tanks ein Temperaturunterschied von etwa 150°F bestand, der durch den stundenlangen Füllprozess verursacht wurde, bei dem flüssiger Stickstoff auf dem Boden der Hälfte saß des Tanks bei -290 ° F, während gasförmiger Stickstoff, der die obere Hälfte füllte, nur bei -140 ° F lag. „Wenn Sie diese sehr scharfen Temperaturgradienten im Laminat haben, kann es zu Brüchen kommen, weil ein Teil versucht, sich mit einer anderen Geschwindigkeit zu dehnen als ein anderer“, sagt Villarreal. Dieses Gefälle zwischen der Ober- und Unterseite des Tanks wird durch eine kleinere, kugelförmige Form verringert, was dazu beiträgt, die Temperaturunterschiede zu verringern.

Neues, optimiertes Design in der Hand, ICT unterzeichnete Ende 2019 einen Vertrag mit dem Kennedy Space Center der NASA (Cape Canaveral, Florida, USA) über die Lieferung von zwei kugelförmigen, kryogenen Tanks für Tests, die halb so groß waren wie der zylindrische Morpheus Lander-Panzer. „Unsere CryoSpheres haben alle thermischen Zyklustests mit Heliumprüfungen zwischen den einzelnen Zyklen abgeschlossen, um sicherzustellen, dass sich keine Mikrofrakturen entwickelt haben“, sagt Villarreal. "Unseres Wissen", fügt er hinzu, "konkurrierten drei weitere Anbieter um diesen Auftrag, aber als wir die Tests abgeschlossen hatten, hatte keiner der anderen Anbieter noch seine ersten Prototypen erstellt."

Nächste Schritte in Richtung Raumfahrt

Tests sind im Gange. ICT erhielt auch Mittel für das MISSE-Programm der NASA, das Materialien zu experimentellen Zwecken zur Internationalen Raumstation (ISS) schickt. Dafür schuf ICT Kugeln mit einem Durchmesser von zweieinhalb Zoll – eine Größe, die hauptsächlich für Testzwecke entwickelt wurde, aber Villarreal hinzufügt, könnte in Anwendungen wie pneumatischen Systemen für Roboter verwendet werden. „Sie sehen seltsam aus wie winzige Granaten“, bemerkt er. ICT lieferte im Februar 2020 fünf dieser CryoSpheres an das Langley Advanced Research Center der NASA (Hampton, Virginia, USA). Der Start der MISSE zur ISS war ursprünglich für August 2020 geplant, wurde aber voraussichtlich auf November verschoben, sagt Villarreal. Nach der Lieferung an die ISS werden die CryoSpheres an der Außenseite der Station platziert und mit daran befestigten Strahlungssensoren etwa sechs Monate lang untersucht, um die Haltbarkeit der Materialien zu testen, wenn sie Hitze und Strahlung ausgesetzt sind, während sie die Erde umkreisen und direkt ausgesetzt werden zur Sonne. Wenn diese Tests erfolgreich sind, erhält ICT die CryoSpheres für zusätzliche kryogene Tests und zur Bewertung der Auswirkungen der Strahlenbelastung auf die Materialien zurück. Von größter Bedeutung ist, wie chemische Bindungen im Harz beeinflusst werden könnten.

Danach, so Villarreal, sei der nächste Schritt die Flugqualifikation. Er sagt, dass ICT bereits etwa die Hälfte der Qualifizierungstests mit einer maßgeschneiderten Version des S-081B-Standards des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) abgeschlossen hat und erwartet, dass der Rest der Tests bis zum Ende des dritten abgeschlossen sein wird Quartal 2020.

Das Unternehmen plant auch, die Tankgröße auf einen Durchmesser von bis zu 48 Zoll zu erhöhen, die von der NASA für kommerzielle Mondlander spezifizierte Größe, und arbeitet an Partnerschaften, um die CryoSphere zum Mond zu schicken.

„Unser Team erweitert die Grenzen dessen, was mit Vollverbundtanks möglich ist“, schließt Villarreal. „Diese Technologie hat das Potenzial, die Weltraumforschung und den nachhaltigen Transport zu revolutionieren.“