Selbstheilende Raumfahrtstrukturen könnten dank modernster Verbundtechnologie schon bald Realität werden. Die Schweizer Unternehmen CompPair und CSEM haben sich mit dem belgischen Unternehmen Com&Sens und der Europäischen Weltraumorganisation ESA zusammengeschlossen, um ihr selbstheilendes Kohlefaserprodukt für den Einsatz in der Weltraumfahrt zu modifizieren.
Das Projekt Cassandra (eine lose Abkürzung für Composite Autonomous SenSing AnD RepAir) integriert Sensoren und ein Heizelement in ein Verbundmaterial aus Kohlefaser, sodass Raumfahrzeuge erste Schadensstadien selbstständig reparieren können.
Cassandra ist Teil der Initiative „Future Innovation Research in Space Transportation“ (FIRST!) der ESA, die innovative Technologien sucht und testet, um den europäischen Weltraumtransport voranzubringen.
Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte Polymere werden zunehmend in Raumfahrtstrukturen eingesetzt. Sie bestehen aus einer Polymermatrix, die mit Lagen aus Kohle- oder Glasfasern verstärkt wird. Dadurch entsteht ein starkes und leichtes Material, das korrosionsbeständig ist. Allerdings sind Verbundwerkstoffe auch empfindlich gegenüber Schäden – insbesondere, wenn sie mehrfach ins All und zurückfliegen – und kleine Risse können sich im Laufe der Zeit verschlimmern. Reparaturen sind oft teuer und zeitaufwendig und können die strukturelle Integrität beeinträchtigen.
Vor diesem Hintergrund hat CompPair „HealTech“ entwickelt, ein Verbundmaterial mit Selbstheilungsfunktion. Durch Erwärmen des Materials wird ein Heilmittel im Inneren aktiviert, das sich verflüssigt und Schäden durch Stöße oder Belastungen repariert.
Ein Prototyp der Verbundstruktur wurde entwickelt, indem ein Netzwerk aus faseroptischen Sensoren in die mit Harz durchtränkten Fasern von HealTech integriert wurde. Die Sensoren lokalisieren jegliche Schäden an der Struktur. Sobald ein Schaden erkannt wird, wird das Material mithilfe integrierter, 3D-gedruckter Aluminiumgitter auf 100–140 °C erhitzt.
Verschiedene Materialproben von 2×10 cm bis 40×40 cm wurden getestet. Die Tests konzentrierten sich auf die Wirksamkeit der Schadensüberwachung, das gleichmäßige Erwärmen und die Selbstheilungsfähigkeiten des Materials. Darüber hinaus wurden Thermoschocktests durchgeführt, um das Verhalten des Materials unter den typischen Bedingungen eines kryogenen Tanks zu untersuchen.
Die nächste Testphase wird darin bestehen, das Material an größere Formen wie einen kompletten kryogenen Treibstofftank anzupassen.
Dieses Material könnte Abfall aus Weltraummissionen reduzieren und wäre ideal für wiederverwendbare Trägerraketen. Dazu Stimmen der beteiligten Experten:
„Die Implementierung dieser Technologie in unsere Systeme könnte enorme Vorteile für den Weltraumtransport bringen“, sagt Bernard Decotignie von der ESA. „Sie wird helfen, wiederverwendbare Weltrauminfrastruktur zu entwickeln und die Missionskosten zu senken. Das zeigt wirklich, was europäische Innovation für den Raumfahrtsektor leisten kann.“
CompPair-Technologiechef Robin Trigueira: „Ich freue mich über die Vorteile der Autonomie und Langlebigkeit, die wir für zukünftige Raumfahrzeuge und Trägerraketen bieten können – das bringt uns der Science-Fiction ein Stück näher! Dieses Projekt ist ein bedeutender Schritt für CompPair im Raumfahrtsektor. HealTech ermöglicht bahnbrechende Fortschritte bei der Überwachung und dem Management der Gesundheit von Verbundmaterialien und verdeutlicht die Möglichkeiten heilbarer Verbundwerkstoffe für die Kosteneffizienz wiederverwendbarer Raumfahrtstrukturen.“
Cecilia Scazzoli, Leiterin Forschung und Entwicklung bei CompPair: „Ich bin begeistert, dass wir zeigen konnten, dass HealTech-Verbundwerkstoffe mit Überwachungs- und Heizsystemen sowohl autonome Schadensdetektion und -heilung als auch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Mikrorisse aufweisen. Das macht sie für die anspruchsvollen Anforderungen von Treibstofftanks und wiederverwendbaren Raumfahrtstrukturen geeignet und ebnet den Weg für leichtere und wartungsfreundlichere Raumfahrtkomponenten.“