Entwicklung eines linerlosen, vollcomposite-kugelförmigen Kryotanks für Raumfahrtantriebsspeicher

Trägerraketen für Raumfahrt benötigen viel Treibstoff und entsprechend große Speicher. Typische Raketentreibstoffe wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff können als Gase bei Raumtemperatur gelagert werden, doch wegen ihrer geringen Dichte würden extrem große Tanks nötig, was das Raumfahrzeuggewicht erhöht und die Nutzlast begrenzt. Idealerweise werden diese Treibstoffe als Flüssigkeiten bei höherer Dichte gespeichert, was kleinere und weniger Tanks erlaubt. Allerdings müssen viele gängige Treibstoffe auf ultratiefe Temperaturen gekühlt werden (kryogen, allgemein unter -150 °C bzw. -238 °F), um flüssig zu existieren.

Daher kündigte Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, USA) im April 2020 die Entwicklung eines kugelförmigen, linerlosen, vollcomposite Kryotanks an – ein Druckbehälter für kryogene Treibstoffe auf raketengetriebenen Trägerraketen.

Linerlose – auch Typ V genannte – Druckbehälter sind seit langem ein Ziel beim Design von Carbonfaser-Composite-Hochdruckspeichern. Herkömmliche Druckbehälter der Typen I bis IV enthalten immer einen gewissen Metallanteil, mindestens als Auskleidung zwischen dem gespeicherten Gas oder der Flüssigkeit und dem Composite-Außenmantel (Typ IV). Der Verzicht auf Metallkomponenten reduziert das Tankgewicht erheblich, was bei Raumfahrzeugtanks entweder zu geringeren Startkosten oder höherer Nutzlast führt.

Allerdings neigen vollcomposite Designs für kryogene Treibstoffe wie flüssigen Stickstoff oder Sauerstoff zum Problem der Mikrorissbildung im Laminat. Bei Abkühlung auf kryogene Temperaturen führt der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) der einzelnen Lagen zu Rissen und Undichtigkeiten. Viele Harzsysteme werden zudem bei kryogenen Temperaturen spröde, was das Problem verschärft. Laut ICT-CEO Matt Villarreal hat Infinite Composites Technologies einen linerlosen Kryotank entwickelt, der die Mikrorissprobleme eliminiert.

Nach Villarreal gelten vollcomposite kryogene Speichertanks – insbesondere kugelförmige wegen ihres kleineren Footprints – als Schlüsseltechnologie für langfristige Erforschung und Überleben im Weltraum. Zwar nutzen viele in Entwicklung befindliche Mondlandegeräte (z. B. von NASA) kugelförmige Tankdesigns, doch waren diese bisher schwerere, weniger treibstoffeffiziente Metallkugeln oder metallische COPVs (Composite-Overwrapped Pressure Vessels). ICTs vollcomposite Tank, genannt CryoSphere, bietet eine leichtere, treibstoffeffizientere Option zur Treibstofflagerung.

Vom Rennwagen zur Rakete

Bevor Kryotanks ins Bild rückten, begannen Villarreal und Geschäftspartner Michael Tate ihre Karrieren im Composite-Druckbehälterdesign während ihres Studiums an der Oklahoma State University (Stillwater, Oklahoma, USA). 2008 traten sie dem Formula-SAE-Team der Hochschule bei, das einen Viertel-Formel-1-Boliden für einen internationalen Wettbewerb konstruierte. Um dringend benötigte Finanzierung von lokalen Erdgasunternehmen zu erhalten, halfen Villarreal und Tate, das Fahrzeug auf Erdgas (CNG) umzurüsten, stellten aber fest, dass der verwendete reine Metall-CNG-Tank so schwer war, dass er die Fahrzeugeffizienz so stark beeinträchtigte, dass sie während des 24-Stunden-Langstreckenrennens mehrfach nachtanken mussten.

„Nach dem Rennen recherchierten wir und stellten fest, dass Tankmasse ein branchenübergreifendes Hauptproblem ist und eine Schlüsseltechnologie sowohl für saubere Energie im Verkehr als auch für die Raumfahrt darstellt“, sagt Villarreal.

Bei der Recherche zu Technologien für leichtere CNG-Tanks begannen Villarreal und Tate, Konzepte für Typ-V-linerlose Composite-Tanks zu entwickeln, die in der Branche als „Heiliger Gral“ der Druckbehälter gelten. Ende 2008 gründeten sie CleanNG LLC, zunächst zur Entwicklung von Hochdrucktanks für Erdgasspeicherung. Seit 2013 wird der zylindrische, vollcarbonfaserverstärkte infiniteCPV-Druckbehälter in bodengebundenen und industriellen Anwendungen zur Speicherung von verdichtetem Erdgas sowie zunehmend von Krypton, Stickstoff und Helium eingesetzt.

Als das Unternehmen die Druckbehälterentwicklung fortsetzte, begannen Raumfahrtunternehmen, CleanNG mit F&E-Finanzierung für Tankversionen für Raumfahrzeuge zu kontaktieren. „Schließlich wurde der Business Case für den Weltraum attraktiver“, sagt Villarreal.

2016 benannte sich das Unternehmen in Infinite Composites Technologies um und konzentrierte sich fortan primär auf kommerzielle Weltraumprojekte, wobei Villarreal angibt, dass auch Verteidigungsanwendungen wie Raketenmotorhülsen, Militärflugzeuge und Drohnen bearbeitet werden. Im Zuge dieses Übergangs wurde der zylindrische infiniteCPV-Tank in mehrere für 2020 erwartete Trägerraketen integriert.

Die CryoSphere, so Villarreal, ist im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des ursprünglichen infiniteCPV-Tanks.

Entwicklung der CryoSphere

Mit dem Fokus auf Raumfahrtbedürfnisse erkannte ICT: „Die eigentliche Herausforderung liegt im Bau von Composite-Kryotanks.“ Kryotanks sind Druckbehälter, die nicht nur hohen Drücken, sondern auch extremen Tieftemperaturen standhalten müssen, wie den unter -200 °F erforderlichen Temperaturen für flüssigen Stickstoff, Sauerstoff, Methan oder andere Treibstoffe und Oxidatoren für Trägerraketen.

Das Unternehmen beantragte Fördermittel beim Bundesstaat Oklahoma und erhielt 2013 einen dreijährigen Zuschuss von 300.000 $ vom Center for the Advancement of Science and Technology (OCAST) für Materialcharakterisierung und Materialtests eines Kryotankkonzepts. „Das Projekt war mäßig erfolgreich“, sagt Villarreal. „Wir fanden gute Materialkandidaten und hatten Hinweise, dass wir das Konzept weiterverfolgen und weitere Förderungen beantragen können.“

ICT stellte sein Kryotankkonzept 2018 dem Johnson Space Center der NASA (Houston, Texas, USA) vor und startete später ein Schnellentwicklungsprojekt für einen Composite-Kryotank für ein Mondlandegerät-Demonstrationsfahrzeug – ein Fahrzeug, das, so Villarreal, der früheren NASA Morpheus VTVL-Testrakete (Vertical Takeoff and Vertical Landing) ähnelte. Leistungsanforderungen umfassten die Beständigkeit gegen 10 Zyklen mit flüssigem Stickstoff (LN2) bei 100 psi, mit Temperaturabfall auf -290 °F und Rückkehr auf Umgebungstemperatur. Zudem durfte der Druck bei einem 30-minütigen Helium-Check zwischen den LN2-Zyklen nicht mehr als 10 psi abfallen, und der Tank musste einen nachgeschalteten kryogenen Bersttest von 1.000 psi (±100 psi) bestehen.

Der erste Test eines zylindrischen Kryotanks war ein Teilerfolg: Er überstand nur fünf kryogene Zyklen. „Wir beschleunigten das Projekt und drehten das Design in etwa acht Wochen komplett um“, sagt Villarreal. „Es war ein wahnsinniger Sprint“, gibt er zu, „und der Tank überstand ein paar Thermozyklen, begann dann aber zu lecken.“ Das Problem war Mikrorissbildung im Laminat. Das Team beendete die Tests und ging „zurück an den Zeichentisch“, so Villarreal.

„Die Kerntechnologie liegt in den Materialien“, sagt Efren Luevano, ICTs Engineering Manager. Die CryoSphere besteht aus Toray (Tokio, Japan) T800 Carbonfaser und einem Epoxidharz, gefertigt durch Filamentwickeln, bei Raumtemperatur ausgehärtet und in einem Industrieofen (nicht Autoklav) nachgehärtet in ICTs Tulsa-Fertigung.

Um das Mikrorissproblem zu lösen, begann ICT iterative Tests verschiedener Additive in einer proprietären, chemisch zähmodifizierten Epoxidharzmatrix in unterschiedlichen Konzentrationen. Dabei entdeckte das Team eine Kombination aus zwei Additiven, die beim erneuten Test die thermischen Anforderungen erfüllte. Eines davon ist Graphen.

„In diesem Fall nutzen wir Graphen als mechanische Verstärkung auf der Nanoskala“, erklärt Villarreal. Die Graphen-Plättchen, geliefert von Applied Graphene Materials (Cleveland, UK), spannen sich zwischen den Fasern auf und bilden ein Hindernis für Rissbildung im Laminat. Zudem verbessert Graphen die Schichthaftung.

„Man versucht, die Fasern beim Druckbeaufschlagen und Belasten des Tanks an Ort und Stelle zu halten“, erläutert Villarreal. Bei tiefen Temperaturen wird das Harz spröde und bricht – unter Druck beginnen die Fasern gegeneinander zu gleiten und die chemischen Bindungen zwischen ihnen zu brechen. Die Graphen-Plättchen wirken als mechanische Verstärkung zwischen den Faserlagen, verringern die Beweglichkeit und damit das Bruchrisiko.

Ein weiteres proprietäres Additiv wird in die Matrix eingearbeitet, wodurch das Laminat bei Tieftemperaturen duktiler wird und isolierende Eigenschaften erhält. Neben Mikrorissen ist „Isolierung eine der Herausforderungen dieser Kryotanks“, sagt Villarreal. Im Test zeigte der neue CryoSphere-Design mit Graphen-verstärktem Harz bei Befüllung mit flüssigem Stickstoff fast eine Stunde lang keine äußeren Kälteanzeichen. Zum Vergleich: Bei früheren Tanks bildete sich innerhalb von 10 Minuten Frost auf der Außenoberfläche.

Neben der Kryogenik-Tauglichkeit fügt Luevano hinzu, dass das kugelförmige Design an sich eine Herausforderung darstellte. Laut Villarreal ermöglicht die Kugelform bessere Packeffizienz bei Anwendungen mit engen oder spezifischen Größenanforderungen, wie Mondlandegeräten. Eine Schwierigkeit war die größere Gefahr von Faserverrutschen während der Fertigung auf einer kugelförmigen Oberfläche im Vergleich zu einem Zylinder, bedingt durch den benötigten Wickelwinkel und unzureichende Reibung auf dem Mandrel, was Faserführung und -ablage erschwerte. Eine weitere Hürde war, dass die verwendete Musterdesign-Software für Zylinder optimiert war und keine machbaren Muster für Kugeln im normalen Workflow erzeugen konnte. „Wir mussten kreative Workarounds finden“, fügt er hinzu.

Das kugelförmige Design half auch unbeabsichtigt beim Mikrorissproblem. Das Team erkannte in einer frühen Iteration einen Temperaturunterschied von ca. 150 °F zwischen Tankboden und -deckel, verursacht durch den stündlichen Befüllvorgang, bei dem flüssiger Stickstoff am Boden bei -290 °F stand, während gasförmiger Stickstoff im oberen Teil nur -140 °F hatte. „Solch scharfe Temperaturgradienten im Laminat können Brüche verursachen, weil sich Bereiche unterschiedlich ausdehnen“, erklärt Villarreal. Der Gradient zwischen Deckel und Boden wird durch die kleinere Kugelform verringert, was die Temperaturdifferenz mindert.

Mit dem optimierten Design unterzeichnete ICT Ende 2019 einen Vertrag mit dem Kennedy Space Center der NASA (Cape Canaveral, Florida, USA) zur Lieferung von zwei kugelförmigen Kryotanks im halben Maßstab der zylindrischen Morpheus-Landertanks. „Unsere CryoSpheres absolvierten alle Thermozyklustests mit Helium-Checks dazwischen, um sicherzustellen, dass keine Mikrorisse entstanden waren“, sagt Villarreal. „Meines Wissens“, fügt er hinzu, „waren drei weitere Bieter für diesen Vertrag im Rennen, aber als wir die Tests abgeschlossen hatten, hatte keiner der anderen Anbieter auch nur seinen ersten Prototyp gebaut.“

Nächste Schritte zum Raumflug

Tests laufen weiter. ICT erhielt auch Finanzierung für NASAs MISSE-Programm, das Materialien zur Internationalen Raumstation (ISS) bringt. Dafür fertigte ICT Kugeln von 2,5 Zoll Durchmesser – eine Größe primär für Testzwecke, die laut Villarreal aber auch für pneumatische Systeme von Robotern nutzbar sei. „Sie sehen aus wie winzige Handgranaten“, bemerkt er. ICT lieferte fünf dieser CryoSpheres im Februar 2020 an das Langley Advanced Research Center der NASA (Hampton, Virginia, USA). Der MISSE-Start zur ISS war ursprünglich für August 2020 geplant, verzögerte sich aber wohl auf November, so Villarreal. Auf der ISS werden die CryoSpheres außen an der Station platziert und etwa sechs Monate mit Strahlungssensoren untersucht, um die Materialbeständigkeit unter Hitzestrahlung und direkter Sonneneinstrahlung im Orbit zu testen. Bei Erfolg erhalten die CryoSpheres zurück für weitere kryogene Tests und Bewertung der Strahlungseinflüsse auf die Materialien. Hauptaugenmerk liegt auf möglichen Auswirkungen auf chemische Bindungen im Harz.

Danach, so Villarreal, folgt die Flugqualifizierung. ICT habe bereits etwa die Hälfte der Qualifizierungstests mit einer angepassten Version des AIAA S-081B-Standards absolviert und erwarte, die restlichen Tests bis Ende Q3 2020 abzuschließen.

Zudem plant das Unternehmen, die Tankgröße auf 48 Zoll Durchmesser zu skalieren – die für kommerzielle Mondlandegeräte in Entwicklung bei NASA vorgesehene Größe – und arbeitet an Partnerschaften, um die CryoSphere zum Mond zu bringen.

„Unser Team erweitert die Grenzen des Machbaren mit vollcomposite Tanks“, resümiert Villarreal. „Diese Technologie hat das Potenzial, die Raumfahrt und nachhaltigen Transport zu revolutionieren.“