Fortgeschrittene Keramik in der Luft- und Raumfahrt: Wiederverwendbare Hitzeschilde und mehr

Keramik wurde jahrtausendelang für Kunst und Geschirr verwendet. Heute können wir daraus ultra-scharfe, langlebige Messer fertigen, die ihre Hightech-Stahlpendants wie antike Relikte erscheinen lassen. Aus Erfahrung wissen wir auch, dass Keramik plötzliche starke Krafteinwirkungen nicht gut verträgt – z. B. einen Aufprall auf den Boden mit wenigen Metern pro Sekunde.

Die inhärente Sprödigkeit von Keramik ist der Hauptgrund, warum sie für die meisten Anwendungen als Strukturmaterial ungeeignet ist. Doch Keramik sticht in hoch spezifischen Aspekten hervor, besonders bei hohen Temperaturen und chemischer Stabilität. In diesem Artikel untersuchen wir die entscheidende Rolle von Keramik in Raumfahrzeugen und wie sie dort retten, wo Metalle versagen.

Das effizienteste thermische Schutzsystem designen

Ein häufiger Anwendungsfall für Keramik in Raumfahrzeugen ist das thermische Schutzsystem. Um zu verstehen, warum ein Keramikmaterial der ideale Kandidat ist, muss man die verschiedenen Wärmeableitungsmechanismen genau betrachten.

Wenn ein Raumfahrzeug mit Orbitalgeschwindigkeit in eine Atmosphäre eintritt, erfährt es erhebliche Oberflächenaufheizung durch atmosphärischen Widerstand. Dies gilt sogar für die dünne Marsatmosphäre mit nur 1 % der Erdatmosphärendichte. Die vom Raumfahrzeug aufgenommene Wärme kann zwei Wege nehmen: Sie kann in die Umgebung abgestrahlt oder in das Innere des Raumfahrzeugs geleitet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Schematische Ansicht der Oberflächenaufheizung eines isolierten Raumfahrzeugs [1].

Abstrahlung wäre für den Raumfahrzeugdesigner der günstige Weg, die aufgenommene Wärme loszuwerden, da die Umwelt kaum von der abgestrahlten Wärme betroffen ist, während das Raumfahrzeug zerfallen oder schmelzen könnte, wenn während der Eintrittsphase zu viel Wärme angesammelt wird.

Die Effizienz der Abstrahlung ist jedoch an die vierte Potenz der Oberflächentemperatur gekoppelt. Das bedeutet, sie spielt bei Temperaturen, die die meisten Materialien bequem handhaben, kaum eine Rolle, wird aber bei Temperaturen über ~1000 K zum dominierenden Wärmeübertragungs-/Kühlmechanismus. Sie kennen diesen Temperaturbereich vielleicht als den Punkt, an dem praktisch alle festen Materialien sichtbar rot zu glühen beginnen [2].

Spezialbeschichtungen sind der Schlüssel

Die Wärmeleitung in das Raumfahrzeug ist der ungünstigere Weg, die Oberflächenaufheizung zu bewältigen, wegen der Temperaturgrenzen aller im Raumfahrzeug verwendeten Materialien. Es gibt nur so viel Wärme, die das Raumfahrzeug aufnehmen kann, bevor Materialgrenzen überschritten werden und katastrophale Ausfälle drohen.

Ingenieure fanden eine clevere Lösung, die beide Wärmeübertragungsmechanismen nutzt. Beispielsweise ist die beheizte Oberfläche des Space Shuttle Orbiters mit einem guten wärmedämmenden Material bedeckt, nämlich Silica (Siliziumdioxid). Zusätzlich wird eine schwarze Borsilikatbeschichtung aufgetragen, um die Strahlungsemission der Oberfläche zu maximieren. So werden bis zu 95 % der auftreffenden Wärme sofort abgestrahlt, sodass nur 5 % der Wärme vom Inneren der Kacheln aufgenommen wird.

Die gesamte Unterseite der Space Shuttle Orbiters ist mit diesen schwarzen Kacheln bedeckt, bestehend aus einem Silicafasersystem mit nur 6 % Volumenanteil. Der verbleibende Volumenanteil ist mit Luft gefüllt. Jede Kachel trägt eine Identifikationsnummer, um korrekte Wartung und Montage an ihrer einzigartigen Position zu gewährleisten. Die Kacheln werden mit einem Silikonkautschuk-„Kleber“ an der darunterliegenden Aluminiumstruktur befestigt.

Andere thermische Schutzsysteme, wie ablativ Systeme, nutzen ebenfalls isolierende Materialien, die absichtlich durch die extreme Hitze abgetragen werden. Konstruktionsbedingt können ablativ Systeme nur einmal verwendet werden, bevor sie vollständig ersetzt werden müssen. Im Gegensatz dazu sind die Silicakacheln wiederverwendbar, trotz ihrer beeindruckenden Spitzentemperatur von ca. 1900 K während der Wiedereintrittsphase.

Bei besonders stark beheizten Bereichen, wie Vorderkanten aerodynamischer Strukturen, kann thermische Isolierung unzureichend sein, was aktive Kühlung erfordert. In diesem Fall gibt es keine isolierende Keramikschicht, sondern ein relativ dünnes, thermisch leitfähiges Material.

Dieses Prinzip ist vergleichbar mit der Kühlung der Hauptbrennkammer im Space Shuttle Main Engine, die in unserem vorherigen Artikel Metalle im Weltraum: Wie Superlegierungen die Raketenlandschaft veränderten detailliert beschrieben wurde. Zudem plant Elon Musk, aktives Kühlen von Edelstahl auf der gesamten windzugewandten Oberfläche des neu entworfenen Raumschiffs Starship einzusetzen.

Die atmosphärische Eintrittsphase ist nicht die einzige Betriebsphase, in der ein Raumfahrzeug erheblicher Oberflächenaufheizung ausgesetzt ist. Einfache Sonneneinstrahlung im Weltraum kann die Oberflächentemperatur schnell auf ca. 500 K ansteigen lassen.

Dagegen wurden die Space Shuttle Orbiters durch dieselben Silicakacheln mit einer weißen Beschichtung geschützt, bestehend aus einer Mischung von Silicaverbindungen und Aluminiumoxid [4], um die Oberflächenreflektivität zu maximieren und nur einen winzigen Bruchteil des einfallenden Sonnenenergieflusses zu absorbieren.

Die Nachteile hochreflektierender Raumfahrzeuge

In manchen Fällen kann Reflektivität eines Raumfahrzeugs problematisch sein. Kürzlich erhielt SpaceX ernsthafte Beschwerden über ihre Satelliten, die astronomische Beobachtungen stören [5].

SpaceX’s Starlink-Satelliten erzeugen künstliche Sternbilder am Himmel, die Astronomen befürchten, ihre Datenberechnungen stören und den Nachthimmel verschmutzen.

Die optische Reflektivität wurde beim Gesamtdesign der Starlink-Satelliten nicht berücksichtigt. Allerdings erkannte SpaceX diesen Mangel an und arbeitet aktiv an einer Lösung, indem eine Beschichtung auf der erdzugewandten Seite der Satelliten aufgebracht wird [6].

Diese Beschichtung beeinflusst die thermischen Eigenschaften der Satelliten stark, da das von der Erde emittierte und reflektierte Licht auch als erhebliche Wärmequelle wirkt, die im Gesamtsystem berücksichtigt werden muss. Daher ist dies keine einfache Änderung, sondern eine, die sorgfältig designed und durch Trial-and-Error validiert werden muss.

Forschung zu elektromagnetischen Wellen absorbierenden Materialien reicht zurück bis zum Zweiten Weltkrieg, als die Deutschen den hocherfolgreichen ersten Radarsystemen der Alliierten gegenüberstanden. Dies führte zu einer ferritbasierten Farbe, die als erstes künstlich erzeugtes radarabsorbierendes Material gelten kann [7].

Heutzutage müssen Radarsignaturen von Satelliten in manchen Fällen aus strategischen Gründen unterdrückt werden, um sie vor feindlichen Erkennungssystemen zu tarnen. Satellitenbetreiber, die radarabsorbierende Technologie einsetzen, müssen jedoch besonders darauf achten, dass ihre Satelliten nicht zum stark wachsenden Problem von Weltraummüll in der Erdumlaufbahn nach Dienstende beitragen, da sie noch schwerer zu finden und zu entfernen sind.

Warum multifunktionale Materialien/Verbundwerkstoffe unverzichtbar sind

Aus den obigen Überlegungen sehen Sie, dass Raumfahrzeuge wie Satelliten hochkomplexe Systeme in einer der anspruchsvollsten Umgebungen sind, die wir kennen. Die stärkste Verschlechterung äußerer Satellitenstrukturen resultiert typischerweise aus Oberflächenabtragung durch UV-Bestrahlung im Weltraum und Bombardement mit atomarem Sauerstoff [8], zusätzlich zu schweren thermischen Zyklen, abhängig von ihren Bahneigenschaften.

Satelliten sind hochkomplexe Systeme in einer der anspruchsvollsten Umgebungen, die wir kennen.

Die äußerste Schicht eines Satelliten ist die definierende Oberfläche für alle thermischen Wechselwirkungen mit der Umwelt. Wenn sie nur für einen Zweck optimiert ist, z. B. zur Minimierung elektromagnetischer Reflektivität, könnten andere für die nominale Funktionalität erforderliche Merkmale fehlen, wie bestimmte Oberflächenemissivität für Kühlung oder Aufprallschutz vor Mikrometeoriten und Trümmern. Daher muss die äußerste Schicht eine Vielzahl von Funktionen und Anforderungen erfüllen.

Abbildung 3: Thermische Stabilität verschiedener Materialien [9].

Mehrschichtige kohlenstoffbasierte Keramiken haben sich als effektives Material erwiesen, um eine multifunktionale, leichte und robuste Raumfahrzeug-Haut zu erreichen. Abbildung 3 zeigt, wie kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (Carbon/Carbon oder C/C) über einen großen Temperaturbereich hohe thermische Stabilität bietet. C/C-Komponenten können durch chemische Gasphaseninfiltration hergestellt werden.

Ein echter Unsichtbarkeitsumhang

Es mag trivial erscheinen, ein Objekt im Weltraum einfach durch Schwarzfärben zu verstecken: schwarz. Doch selbst Objekte, die alles sichtbare Licht absorbieren, können perfekte Reflektoren elektromagnetischer Strahlung bei anderen Wellenlängen sein, z. B. Mikrowellen.
Der überlegene thermische Schutz, den C/C bietet, kann mit den elektromagnetischen Wellen absorbierenden Eigenschaften einer Epoxidmatrix mit zugesetzten Mehrwand-Kohlenstoffnanoröhren kombiniert werden. Nicht nur haben Kohlenstoffnanoröhren das Potenzial, die Absorption elektromagnetischer Wellen zu erhöhen, sie können auch zur Herstellung ultra-starker Nanomaterialien verwendet werden, wie in diesem Artikel von Wade Lanning beschrieben.

Abbildung 4: Bild eines CubeSats und schematische Ansicht seines thermischen Schutzsystems. C/C kombiniert mit einer mehrschichtigen Abschirmung, die elektromagnetische Strahlung absorbiert [8].

Die äußeren Schichten der in Abbildung 4 gezeigten Abschirmung, mit einem Kohlenstoffnanoröhrengehalt von bis zu 1,5 %, bieten exzellente Mikrowellenabsorptions-Eigenschaften und fungieren als Unsichtbarkeitsumhang für den Satelliten. Die Dicke der einzelnen Schichten sowie ihre Zusammensetzung werden mittels Machine-Learning-Ansatz optimiert, einem aktuellen Trend in der Materialwissenschaft.

Wie Sie sehen, sind modernste Materialien und der Einsatz multifunktionaler Verbundwerkstoffe erforderlich, um der anspruchsvollen Weltraumumgebung standzuhalten.

Egal wie gut ein Raumfahrzeug hier auf der Erde designed und getestet wird, einige Überraschungen in Funktionalität und unbeabsichtigte Effekte können im Orbit noch auftreten, wie SpaceX und ihre Starlink-Konstellation gezeigt haben. Keramische Materialien, Verbundwerkstoffe und Beschichtungen bieten hochwünschenswerte Eigenschaften wie Langzeitstabilität und thermischen Schutz und ermöglichen ein neues Zeitalter fortschrittlicher Weltraumforschung.