3D-Druck im Entwicklungsprozess von Raketen und Raumfahrzeugen

Seit der Mondlandung im Jahr 1969 hat die Menschheit nie aufgehört, nach den Sternen zu greifen. Was sich jedoch geändert hat, sind die Mittel, um dorthin zu gelangen. Seit Apollo 11 haben sich die Raketen stark verändert. Innovation ist das Gebot der Stunde, und in den letzten Jahren hat dies die additive Fertigung hervorgebracht. Immer häufiger sehen wir 3D-gedruckte Raketen, sowohl solche, die in der Entwicklung sind, als auch solche, die bereits ins All geschickt wurden. In der folgenden Auflistung (in keiner bestimmten Reihenfolge) haben wir einen Blick auf einige der aufregendsten Projekte geworfen, darunter alles von vollständig 3D-gedruckten Raketen bis hin zu Triebwerken und anderen Teilen, die mithilfe der additiven Fertigung hergestellt und optimiert wurden.

Agnibaan von Angikul Cosmos

Agnibaan ist eines der jüngsten 3D-gedruckten Raketenprojekte. Es stammt direkt von Agnikul Cosmos, einem indischen Luft- und Raumfahrtunternehmen, das der Meinung ist, dass der Weg ins All für jeden erreichbar sein sollte. Aus diesem Grund hat sich das Unternehmen dem 3D-Druck zugewandt. Agnibaan (was in Sanskrit „Feuerpfeil“ bedeutet) ist nach Angaben des Unternehmens die weltweit erste Rakete mit einem aus einem Stück gedruckten 3D-Triebwerk, obwohl Agnikul nicht bekannt gegeben hat, welche Technologien für das Projekt verwendet wurden. Der erfolgreiche Start von Agnibaan am 30. Mai um 7:15 Uhr markiert einen großen Schritt nach vorn für die additive Fertigung in der indischen Raumfahrtindustrie.

(Bild: Agnikul Cosmos)

Das E-2-Raketentriebwerk von Launcher

Launcher ist ein 2017 gegründetes Unternehmen, welches in einer Partnerschaft mit der US Space Force, der US Air Force und der NASA an der Entwicklung von Hochleistungsraketen und Orbitaltransferfahrzeugen arbeitete. Durch die Integration modernster Flüssigkeitsantriebstechnologie und den Einsatz von 3D-Druck entstand das E-2-Flüssigkeitsraketentriebwerk. Es handelt sich dabei um ein geschlossenes Verbrennungstriebwerk, dessen Brennkammer aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung besteht, welche die Kosten sowie die Abhängigkeit von Lieferketten reduziert. Launcher ist damit das erste Unternehmen im Bereich der Trägerraketen, das 3D-gedruckte Kupferlegierungen zur Herstellung der Brennkammer eines Raketentriebwerks verwendet.

Außerdem verfügt die Brennkammer über integrierte Kühlkanäle, die die thermische Effizienz steigern sollen. Gemeinsam mit AMCM entwickelte Launcher den AMCM M 4K 3D-Drucker, mit dem die Brennkammer dann gedruckt wurde. Der koaxiale Injektor des E-2-Triebwerks wurde auf einem Velo3D Sapphire 3D-Drucker produziert. Im April 2022 erreichte das 3D-gedruckte E-2-Triebwerk bei Tests im NASA Stennis Space Center seine volle Schubkraft, woraufhin Launcher den erfolgreichen Abschluss des Testlaufs bekanntgab.

(Bild: Launcher)

Ariane 6

Die ArianeGroup ist ein Gemeinschaftsunternehmen von der Airbus Group und Safran. Mit der Ariane 6 stellte die ArianeGroup Europas neueste Schwerlast-Trägerrakete her, die im Juli 2024 erfolgreich ihren Erststart hinlegte. Die Ariane 6 ist flexibel aufgebaut und kann sehr große Lasten transportieren. Bei der Herstellung der Ariane 6 setzte die ArianeGroup auch auf den industriellen 3D-Druck. Zahlreiche Komponenten des Triebwerks wurden so additiv gefertigt, was zu einer Senkung der Kosten führte und Produktionszyklen minimierte. Die Brennkammer wurde in Deutschland entwickelt und hergestellt. Die Ummantelung des Liners wurde etwa im Kaltgasspritzverfahren aufgedruckt und der Monoblock-Einspritzkopf wurde per Lasersinter-Verfahren gedruckt. Dieser Einspritzkopf mit all seinen Einspritzelementen wurde von EOS gefertigt.

(Bild: ArianeGroup)

Skyroot Aerospace und sein 3D-gedrucktes Triebwerk

Das 2018 gegründete indische Unternehmen Skyroot Aerospace hat es sich zum Ziel gesetzt, den Weltraum für alle zu öffnen, indem es schnelle, präzise und erschwingliche Trägerraketen für den Weltraum anbietet. Sie hat unter ihrer Vikram-Reihe mehrere Modelle entwickelt. Was uns jedoch besonders interessiert, sind die Triebwerke dieser Raketen. Es trägt den Namen Dhawan und ist ein 3D-gedrucktes Teil. Es handelt sich um ein kryogenes Triebwerk, das sowohl flüssiges Erdgas als auch flüssigen Sauerstoff verwendet. Beide Treibstoffe benötigen Temperaturen von unter -150 °C, um gelagert und betrieben werden zu können. Sowohl beim Dhawan-I als auch bei der zweiten Version wurde daher die metallbasierte additive Fertigung gewählt. Beide Triebwerke wurden erfolgreich getestet. Der Dhawan-II-Motor soll in die Vikram-II-Rakete eingebaut werden, die Ende des Jahres abheben soll.

Das 3D-gedruckte Hadley-Triebwerk von Ursa Major

Ursa Major ist ein weiteres amerikanisches Startup-Unternehmen, das durch seine Arbeit an 3D-gedruckten Raketen Aufmerksamkeit erregt hat. Zuletzt gab das Unternehmen im März 2024 bekannt, dass sein teilweise 3D-gedrucktes Hadley-Triebwerk erfolgreich geflogen ist und sich Mach 5 genähert hat. Auch wenn nicht klar ist, welche Technologien und Materialien bei der Entwicklung des Hadley-Triebwerks zum Einsatz kamen, so wissen wir doch, dass der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielte und dass wahrscheinlich Kupfer und Metall im 3D-Druckverfahren hergestellt wurden, höchstwahrscheinlich mit dem Laser-Pulverbett-Verfahren, da das Unternehmen bereits in der Vergangenheit mit EOS gearbeitet hat. Ein großer Meilenstein in der Nutzung des 3D-Drucks zur Herstellung von Triebwerken für den privaten Raumfahrtsektor!

Ein Heißtest des Hadley-Triebwerks (Bild: Ursa Major)

Das Detonationsraketentriebwerk (RDRE) der NASA

Als führende Institution in der Raumfahrt und Flugwissenschaft setzt die NASA, welche 1958 gegründet wurde, immer wieder neue Maßstäbe in der Antriebstechnologie. So hat die NASA das erste rotierende Detonationsraketentriebwerk (Rotating Detonation Rocket Engine, RDRE) in Originalgröße mithilfe von 3D-Druck hergestellt. Zukünftig könnte das Triebwerk die Bauweise von Antriebssystemen neu definieren. Das RDRE verwendet ein fortschrittliches Antriebskonzept, bei dem Schub durch das Phänomen der Überschallverbrennung hergestellt wird. Dadurch kann dann eine höhere Leistung bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Hergestellt wurde das Triebwerk mittels Powder Bed Fusion, wobei die von der NASA entwickelte Kupferlegierung GRCop-42 zum Einsatz kam, die es dem Motor ermöglicht, auch unter extremen Bedingungen über längere Zeiträume hinweg zu funktionieren. Im Herbst 2023 führte die NASA im Marshall Space Flight Center eine Reihe von Tests durch, um zu überprüfen, ob der Motor den extremen Temperaturen und den typischen Anforderungen, wie der Integration einer Lambdasonde, standhält. Die Tests wurden erfolgreich abgeschlossen und das RDRE bietet damit das Potential, zukünftige Missionen zum Mond oder Mars zu unterstützen.

EOS und Hyperganic drucken Aerospike-Raketentriebwerk

2022 machten EOS und Hyperganic Schlagzeilen, weil es ihnen gelungen ist, mithilfe von Künstlicher Intelligenz und 3D-Druck ein Aerospike-Raketentriebwerk mit besonders komplexem Design zu fertigen. Hyperganic, ein 2015 gegründetes deutsches Unternehmen, machte es mit seiner algorithmischen Konstruktionssoftware möglich, ein von der Natur inspiriertes Design nachzubilden. Das Aerospike-Raketentriebwerk besticht daher durch sein außergewöhnliches und hochkomplexes Design. In einem ersten Schritt wurde das Triebwerk aus einer Nickellegierung in 3D gedruckt, dabei kam die EOS M 400-4-Maschine zum Einsatz und die Legierung NickelAlloy IN718. In einem weiteren Schritt wurde das Triebwerk in größerem Maßstab aus Kupfer gefertigt.

(Bild: EOS)

KI und 3D-Druck für TKL-5-Flüssigtreibstoff-Raketenantrieb

Durch den Einsatz von Computational Engineering und additiver Fertigung hat LEAP 71, ein in Dubai ansässiges Unternehmen, bedeutende Fortschritte in der Raumfahrttechnologie erzielt. Denn das Unternehmen hat mittels der KI-basierten Software Noyron ein Raketentriebwerk entwickelt. Ziel des Projekts war es, die Fähigkeiten der Noyron-Software zu demonstrieren, welche es ermöglichte, das TKL-5-Raketentriebwerk vollständig digital und ohne menschlichen Eingriff zu entwerfen und zu produzieren. Aufgrund der KI-Algorithmen war keine CAD-Konstruktion erforderlich, was die gesamte Produktion des Triebwerks auf nur zwei Wochen optimierte. Produziert wurde das Triebwerk von AMCM auf einem EOS M290 3D-Drucker aus Kupfer, was in Kombination mit aktiver Kühlung zu einem leistungsfähigen Antrieb führte. Anschließend erfolgte die Nachbearbeitung durch das „Race to Space“-Team der Universität Sheffield und erfolgreich getestet wurde das Triebwerk auf dem Gelände von Airborne Engineering. Dort erreichte es eine Schubkraft von 20.000 PS und eignet sich somit ideal für den Einsatz in Orbitalraketen. LEAP 71 sieht in diesem 3D-gedruckten Raketenantrieb das Potential, das Innovationstempo in der Raumfahrt zu beschleunigen sowie die bessere Erreichbarkeit des Weltraums.

(Bild: LEAP 71)

Die Rakete Orbex Prime

Das britische Luft- und Raumfahrtunternehmen Orbex hat die kohlenstoffarme und leistungsstarke Rakete Orbex Prime entwickelt. Die Rakete wurde mit dem SLM800 Metall-3D-Drucker von Nikon SLM Solutions hergestellt. Prime wird mit einem zu 100 % erneuerbaren Treibstoff, Biopropan, betrieben, der die CO2-Emissionen um 90 % reduzieren kann. Darüber hinaus ist die Rakete so konzipiert, dass sie wiederverwendbar ist, indem sie ein Rückholsystem enthält, das ebenfalls so programmiert ist, dass keine Trümmer in der Erdumlaufbahn zurückbleiben. Prime wurde 2022 im Vereinigten Königreich zum ersten Mal der Öffentlichkeit vorgestellt.

(Bild: Orbex)

Die Terran 1 und Terran R 3D-gedruckte Raketen von Relativity Space

Wer hat noch nicht von Relativity Space gehört? Das kalifornische Unternehmen hat sich seit seiner Gründung im Jahr 2015 schnell einen Namen gemacht und arbeitet an seinem Ziel, eine vollständig 3D-gedruckte Rakete zu entwickeln. Und es ist fast soweit! Terran 1, die erste Rakete des Unternehmens, wurde im März 2023 erfolgreich gestartet, obwohl sie die Umlaufbahn nicht erreichte. Diese Rakete wurde fast vollständig mit DED und Laser-Pulverbettfusion in 3D gedruckt und war zum Zeitpunkt ihres Starts die höchste jemals gebaute 3D-gedruckte Metallstruktur. Jetzt setzt das Unternehmen seine Arbeit mit der Terran R fort, die voraussichtlich zu 90 % in 3D gedruckt wird und 20 Mal mehr Nutzlast tragen kann als ihr Vorgänger. Die Terran R wird ab 2026 vom Startkomplex 16 auf der Cape Canaveral Space Force Base starten und damit direkt in die Zukunft der Weltraumforschung fliegen.

(Bild: Relativity Space)

Navier, das französische Triebwerk, das mit additiver Fertigung hergestellt wird

Latitude (ehemals Venture Orbital Systems) ist ein französisches Startup-Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Mikroträgern spezialisiert hat. Sein erstes Modell ist der Zephyr, der 19 Meter lang ist und einen Durchmesser von 1,5 m hat. Er ist mit einem Motor ausgestattet, der durch 3D-Metalldruck – genauer gesagt durch Laserschmelzen auf einem Pulverbett – hergestellt wird. Er heißt Navier, ist 45 Zentimeter hoch und wiegt 30 Kilogramm bei einer Schubkraft von 1,2 Tonnen. Er wurde aus Inconel 718 auf einer SLM 500-Maschine in nur wenigen Tagen hergestellt. Anfang 2023 war Latitude die Zündung von Navier gelungen, ein großer Schritt für das in Reims ansässige Startup.

(Bild: Latitude)

Der Rutherford-Motor von Rocket Lab

Das kalifornische Startup Rocket Lab, ein privates Luftfahrtunternehmen, entwickelte die weltweit erste batteriebetriebene Rakete, die Electron-Rakete, welche 2017 erfolgreich ihren ersten Start mit einem 3D-gedruckten Rutherford-Motor absolvierte. Der Motor ist nach dem neuseeländischen Wissenschaftler Ernest Rutherford benannt und zu den 3D-gedruckten Komponenten gehören die Schubkammer, zwei Pumpen, der Injektor und die Haupttreibstoffventile. Für den ersten Flug nutzte Rocket Lab ein zehntägiges Startfenster, um die Rakete von der Mahia-Halbinsel in Neuseeland zu starten. Bei dem zweiten Flug, der 2018 stattfand, handelte es sich um einen orbital Raumflug. Nach diesem beschloss das Unternehmen, in den kommerziellen Betrieb zu gehen. Durch den Einsatz der additiven Fertigung bei der Herstellung des Rutherford-Motors konnten Zeit und Gewicht eingespart werden, was in der Luft- und Raumfahrt von Wichtigkeit ist und auch weiterhin möchte das Unternehmen Raketen herstellen, welche Satelliten in den Weltraum befördern.

(Bild: Rocket Lab)

Eine Brennkammer aus dem 3D-Drucker

OPUS Aerospace ist ein weiteres französisches Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Trägerraketen und Raumfahrzeugen spezialisiert hat. Sie hat zwei verschiedene Trägerraketen entwickelt, Mesange und Sterne. Die erste ist in Wirklichkeit der Demonstrator des französischen Start-ups. Mesange soll als Test dienen und den Weg für Sterne ebnen. In beiden Fällen enthält die Trägerrakete den Torgos-Motor, dessen Brennkammer in einem einzigen Arbeitsgang aus 3D-Metall gedruckt wurde. Der Start von Mesange ist für 2024 von Französisch-Guayana aus geplant und wird somit die Sterne-Trägerrakete weiterentwickeln.

(Bild: OPUS Aerospace)

Stoke Space druckt Brennkammern für wiederverwendbare Raketen

Das amerikanische Unternehmen Stoke Space bietet mit NOVA eine vollständig wiederverwendbare Rakete für tägliche Flüge ins All. Um dies zu erreichen, setzt das Unternehmen auch auf den 3D-Druck. Stoke Space druckt Brennkammern aus Kupfer, um die Kammern einerseits schnell zu drucken, und andererseits die Wiederverwendbarkeit zu ermöglichen. Die Kupferlegierung der Brennkammern ist nämlich besonders leitfähig und kann daher wiederverwendet werden. Die Brennkammern weisen aufgrund der regenerativen Kühlkanäle gebogene Verteilerrohre und innen liegende Hohlräume auf. AM macht es aber möglich, dieses komplexe Design umzusetzen. Das in Seattle ansässige Unternehmen testet seine Entwicklungen im nahe gelegenen Moses Lake.

(Bild: Stoke Space)

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