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3D-Druck macht Raumfahrt leichter und billiger

In ähnlicher Weise profitiert die Raumfahrt im Bereich Raumtransport von digitaler Technologie. Der 3D-Druck mag nicht für die Raumfahrt entwickelt worden sein, doch er ist dabei, die Herstellung von Raketenbauteilen zu revolutionieren. Rocket Lab, jüngstes Mitglied in der Familie der erfolgreichen privaten Raketenstart-Unternehmen, druckt beispielsweise Teile der Brennkammer, Düsen und Ventile seines Rutherford-Triebwerks. Was bisher die mechanische Kompetenz einer gut bestückten Feinwerkstatt erforderte, lässt sich nun am Rechner entwerfen und über Nacht drucken. Allerdings sollte niemand den Fehler begehen, zu denken, die Bauteile kämen wie Kai aus der Kiste einsatzfähig aus dem Drucker. Ein erheblicher Teil ihrer Bearbeitung kommt erst noch - die Loslösung von der Trägerplatte, die Oberflächenbearbeitung und vor allem die Qualifizierung.

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Hochwertige industrielle Drucker kosten zwar über eine Million Euro, sind schwer zu bedienen und arbeiten vergleichsweise langsam. Ihre Erzeugnisse haben aber einen für die Raumfahrt entscheidenden Vorteil: Die gedruckten Teile sind leichter als die konventionellen. Die Struktur des Mondrovers des Berliner Raumfahrt-Startups PTScientists kommt zu 80 Prozent aus dem Aluminiumdrucker. Das hat den Vorteil, dass sie bei gleicher Stabilität weniger wiegt. "Es war vor allem der 3D-Druck, der es uns ermöglicht hat, zehn Kilogramm von unserem Rover runterzubekommen", erklärt Karsten Becker von den PTScientists. "Die Räder sind extrem dünnwandig, nur einen Millimeter stark und extrem stabil. Das hätten wir mit traditionellen Fertigungsmethoden auf gar keinen Fall hinbekommen." Für die Mondspediteure zählt jedes Gramm: Der Preis, ein Kilogramm Nutzlast auf den Mond zu transportieren, beträgt laut Becker etwa eine Million Euro.

Dabei ist es aber nicht nur die reine additive Drucktechnologie, die den ingenieurtechnischen Vorteil erbringt, sondern bereits das Design mit Hilfe sogenannter numerical topology optimization tools, Software, um mathematische Probleme numerisch zu lösen. Konventionelle Entwürfe sind häufig stabiler, als sie sein müssen - und das an Stellen, an denen Bauteile gar nicht besonders robust sein müssen. Das können Antennenhalterungen sein, Satellitengehäuse oder eben Räder von einem Mond-Rover. Diese nicht benötigte Stützmasse erzeugt in jedem Fall Gewicht und Kosten.

Kulturwandel durch Software

Topologieoptimierung ist eine echte Herausforderung für Ingenieure, weil sie den traditionellen Entwicklungsprozess auf den Kopf stellt. "Normalerweise schaue ich mir als Ingenieur die Punkte an, an denen zwei Teile miteinander verbunden werden und zeichne sie ein", sagt Steven Catt, AM-Ingenieur bei Thales, einem großen Luft- und Raumfahrtkonzern aus Frankreich. "Einem Optimierungswerkzeug hingegen gebe ich lediglich bestimmte Spezifikationen für ein Teil ein. Die Algorithmen der Software erzeugen dann optimale organische Strukturen. Das ist ein Kulturwandel."

Häufig ähneln solche softwaredesignten und ineinanderfließenden Bauteile einer Science-Fiction-Alien-Welt. Aber so sieht eben das rechnerische Ergebnis einer Materialstruktur mit einer definierten Stabilität aus. Sie sind gleichzeitig Ausdruck der Vorteile der additiven Fertigung. Mit 3D-Druckern gelingt es viel besser, diese topologieoptimierten Designs in die Realität umzusetzen als mit herkömmlichen Methoden, bei denen Bauteile häufig aus einem Stück gefräst werden. Hohlräume wie in den Rover-Rädern und ähnliche Strukturen sind hier nahezu unmöglich.

Die gute Nachricht für Menschen im Allgemeinen und Ingenieure im Speziellen: "Die Software liefert gute Konzepte für Bauteile. Aber die errechneten Ergebnisse müssen von Ingenieuren beurteilt werden, sie müssen verstehen, was die Software mit ihrem Vorschlag quasi beabsichtigt. Sie sind nicht das Endergebnis des Designs", sagt Catt. Selbst wenn der Rechner ein Modell eines Bauteils entworfen hat, das stabiler und leichter ist als manuelles Design, braucht es noch die Urteilskraft menschlicher Interpretation, um ein Teil als geeignet zu befinden. Ein solches Optimierungswerkzeug ist beispielsweise Z88 von Frank Rieg von der Universität Bayreuth, die als Freeware und teilweise auch als Open Source vorliegt.

Die 3D-Druck-Technik auf die Spitze treibt das Unternehmen Relativity Space aus Los Angeles. Sein fünf Meter hoher Drucker Stargate soll in den kommenden Jahren gleich die ganze Rakete drucken. Das Besondere am Stargate ist nicht einmal der Superlativ, der größte 3D-Metall-Drucker der Welt zu sein, wie seine Erbauer sagen. Das ist ein Rekord, der sicher schon bald passé ist. Was ihn ausmacht, ist vielmehr die zu Ende gedachte Philosophie des 3D-Druckens in der Raumfahrt. Allerdings nur auf der Erde. Seine ganze Tragweite wird 3D-Druck langfristig unmittelbar im Weltraum entfalten. Denn für die Entwicklung der menschlichen Zivilisation dort war bisher die Erde das größte Hindernis. Sie wirkt wie ein Gravitationsloch, aus dem nur unter großem Energieaufwand und mit hohen Kosten etwas in den Weltraum transportiert werden kann. Doch bei vielen Gegenständen ist es nicht sinnvoll, sie ins All zu transportieren.

"Wenn Astronauten auf eine Deep-Space-Mission gehen, muss man sich fragen, welche Dinge sie wohl benötigen werden", sagt Andrew Rush, CEO von Made In Space. Das Startup aus dem Silicon Valley betreibt unter anderem zwei 3D-Drucker auf der Internationalen Raumstation (ISS). "Auf der ISS gibt es Ersatzteile im Wert von einer Milliarde US-Dollar. Das ist viel Masse, und es ist nicht einmal klar, dass sie zum Einsatz kommen. Mit einem 3D-Drucker hingegen müssen wir das alles nicht mitnehmen, wir benötigen nur einen digitalen Plan dafür. Es wird erst dann produziert, wenn es gebraucht wird."

Natürlich kostet es auch Geld, die Drucker-Rohmasse in den Raum zu transportieren. Aber da ihre Veredelung nach dem Transport stattfindet, ist es nicht mehr notwendig, die Transportraketen im gleichen Maße so zuverlässig und entsprechend teuer zu konstruieren. Zudem müssen die derart veredelten Produkte nicht mehr so robust gebaut werden, um die strapaziösen Bedingungen eines Raketenstarts - insbesondere die enorme Belastung durch Schallwellen - auszuhalten.

 Raumfahrt: Die Digitalisierung des WeltraumsKI wird einmal mit Lichtgeschwindigkeit reisen 
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SDJ 05. Apr 2018 / Themenstart

Toller Artikel, danke dafür! Das hat bei mir direkt den Drang nach einer Veränderung...

spitfire_ch 04. Apr 2018 / Themenstart

Ich ebenfalls, danke!

dp2419 27. Mär 2018 / Themenstart

Und wenn dann was schiefgeht, verhindert das daraus entstehende Kessler Syndrom das wir...

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