Materialtests für den Weltraum

Materialien für den Weltraum müssen in der Luft- und Weltraumtechnologie extremen Bedingungen standhalten: Vakuum, starke Temperaturschwankungen und mechanische Belastungen wirken gleichzeitig auf Bauteile und Strukturen ein. Herkömmliche Testmethoden stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Mit dem NextSpace TestRig der University of Glasgow schließt nun ein neu entwickeltes Prüfverfahren diese Lücke. Finanziert von der britischen Raumfahrtbehörde ermöglicht die Testplattform, die von Dr. Gilles Bailet und seinem Team entwickelt wurde, realitätsnahe Simulationen für die Qualifizierung von Materialien und Komponenten für den Einsatz im All – und bietet darüber hinaus auch spannende Impulse für Anwendungen auf der Erde.

Herr Dr. Bailet, was war die Motivation für die Entwicklung des NextSpace TestRig?

Gilles Bailet: In der Raumfahrtindustrie werden fortschrittliche Werkstoffe und additive Fertigung rasch eingeführt, aber es fehlen realistische Testmethoden, um zu verstehen, wie sich diese Werkstoffe in der tatsächlichen Weltraumumgebung verhalten. Herkömmliche Qualifizierungsmethoden ignorieren oft die extremen Bedingungen, die in der Umlaufbahn oder auf dem Mond herrschen - insbesondere die kombinierten Auswirkungen von Ultrahochvakuum und thermischen Zyklen. Das NextSpace TestRig, das von der britischen Raumfahrtbehörde (UK Space Agency - UKSA) finanziert wird, wurde entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Unser Ziel war es, eine bodengestützte Plattform zu schaffen, die in der Lage ist, weltraumähnliche Umgebungen bei gleichzeitiger mechanischer Belastung zu simulieren, um besser vorhersagen zu können, wie sich Materialien in missionskritischen Szenarien verhalten.

Welche spezifischen Bedingungen können mit dem NextSpace TestRig simuliert werden - und warum sind sie für die Materialprüfung so wichtig?

Bailet: Das TestRig, das in unserem NextSpace TestRig untergebracht ist, kann gleichzeitig Ultrahochvakuum (~10-⁶ mbar) und extreme thermische Zyklen (-100°C bis +200°C) simulieren und gleichzeitig mechanische Prüfungen in Echtzeit (bis zu 20.000 Newton Kraft) durchführen. Diese Kombination ist von entscheidender Bedeutung, da viele Materialien - insbesondere Polymere und Verbundwerkstoffe - unter solchen Bedingungen erhebliche Veränderungen der Bruchfestigkeit, Steifigkeit oder der Versagensarten erfahren. In einem Test beobachteten wir bei einem 3D-gedruckten Polymer (Nylon PA12) eine um 43 % geringere Bruchdehnung, wenn es im Vakuum und nicht bei Umgebungsbedingungen getestet wurde. Diese Effekte sind in herkömmlichen Laborumgebungen einfach nicht sichtbar, aber sie sind entscheidend für die Entwicklung sicherer und zuverlässiger Komponenten für Weltraummissionen.

Welche Arten von Materialien/Kunststoffen oder Komponenten werden typischerweise getestet und für welche Anwendungen sind sie vorgesehen?

Bailet: Wir haben eine Reihe von additiv gefertigten Polymeren wie PA12 getestet und erweitern nun unser Angebot auf metallische Werkstoffe wie Inconel und Titanlegierungen. Diese Werkstoffe werden häufig in Satellitenstrukturen, Antennenträgern, Wärmeregulierungskomponenten und leichten mechanischen Teilen verwendet. Viele der Tests konzentrieren sich auf flugtaugliche Geometrien und helfen den Raumfahrtunternehmen, ihre Qualifikationsdaten zu verfeinern und Überkonstruktionen zu reduzieren. Wir arbeiten auch eng mit internationalen Partnern zusammen, die ISRU (In-Situ Resource Utilisation) und 3D-Druck mit aus Regolith gewonnenen Materialien für die Mondinfrastruktur erforschen.

Welche Rolle spielt der 3D-Druck im Zusammenhang mit Weltraummaterialien, insbesondere im Hinblick auf die autonome Produktion im Weltraum?

Bailet: Der 3D-Druck - oder die additive Fertigung - ist von zentraler Bedeutung für die Vision der autonomen Fertigung im Weltraum (ISAM). Er ermöglicht es uns, Komponenten direkt in der Erdumlaufbahn oder auf dem Mond zu produzieren und damit die Abhängigkeit von der teuren und begrenzten Logistik zwischen Erde und Weltraum zu verringern. Doch um ISAM realisierbar zu machen, müssen wir sicher sein, dass sich gedruckte Materialien unter Weltraumbedingungen wie erwartet verhalten. Unser TestRig trägt dazu bei, diese Sicherheit zu schaffen. Es unterstützt auch künftige Pläne für eine mechanische In-situ-Charakterisierung, bei der die Prüfgeräte selbst miniaturisiert und in der Umlaufbahn oder auf der Mondoberfläche eingesetzt werden könnten, um Strukturen in Echtzeit zu validieren.

Wie können die Erkenntnisse aus dem TestRig auf industrielle Anwendungen auf der Erde übertragen werden - zum Beispiel im Bereich der Hochleistungsmaterialien?

Bailet: Es besteht ein großes Potenzial, die Erkenntnisse aus der Materialprüfung im Weltraum auf die Hochleistungsindustrie auf der Erde zu übertragen. Sektoren wie die Luft- und Raumfahrt, die Nuklearindustrie, die Tiefsee und der Energiesektor sind häufig mit ähnlich rauen Bedingungen konfrontiert - extreme Hitze, Vakuum, Strahlung oder aggressive Chemikalien. Unsere Methoden helfen dabei, zu charakterisieren, wie sich Materialien unter gekoppelten Belastungen verschlechtern, was besonders für sicherheitskritische Komponenten oder neue additive Fertigungsverfahren relevant ist. Wir verzeichnen bereits Interesse von Industriepartnern, die Polymere und Verbundwerkstoffe der nächsten Generation für leichte, missionskritische Anwendungen auf der Erde erforschen.

Was sind die nächsten Schritte? Gibt es bereits konkrete Anwendungen oder geplante Tests mit neuen Materialien oder Komponenten?

Bailet: Aufbauend auf dem Erfolg des NextSpace Testrigs planen wir nun eine Miniaturisierung des Systems für den Einsatz in der Umlaufbahn und schließlich auf dem Mond. Gleichzeitig sind wir bestrebt, andere Akteure in diesem Bereich zu unterstützen, um sicherzustellen, dass die Herstellung im Weltraum (ISM) zu einem sicheren und nachhaltigen Unterfangen für die gesamte Branche wird. Darüber hinaus haben wir uns dem Scottish Enterprise High Growth Spin-Out Programme angeschlossen, um unsere eigenen In-Space-Manufacturing-Technologien zu vermarkten, die darauf abzielen, funktionale Strukturen wie Antennen und Solarpaneele direkt im Orbit in 3D zu drucken - ein Schritt, der die Fähigkeiten von Raumfahrzeugen und die Flexibilität von Missionen erheblich verbessern könnte.