Der Gewinner des SAM-Stipendienwettbewerbs 2019 im Wert von 1.000 $

Der Stanford Advanced Materials $1.000 College Scholarship Contest 2019 endete letzten Monat mit einer Rekordzahl von Einsendungen von Studenten. Herzlichen Glückwunsch an den Gewinner:

Charles Boyle
Universität von Texas in Austin

Die Teilnehmer wurden gebeten, einen Aufsatz zu schreiben, in dem sie ihre Erfahrungen mit fortgeschrittenen Werkstoffen im Leben schildern und darüber sprechen, welche Auswirkungen dies in der Zukunft haben wird.

Wir erhielten mehr als 200 Einsendungen von Studenten aus den USA, und Charles hat den Wettbewerb für sich entschieden. Er nahm 1.000 Dollar mit nach Hause, weil er in seinem Aufsatz, den wir hier mit seiner Erlaubnis veröffentlichen, seine coolen Erfahrungen und durchdachten Ideen über hochschmelzende Metalle mitgeteilt hat:

Charles Boyle

Anfang 2018 begann ich, was bald zur coolsten Erfahrung meines Lebens werden sollte: ein Frühjahrspraktikum im Green Propulsion Lab des Marshall Space Flight Center der NASA. Während dieses Praktikums war ich an zwei Hauptprojekten beteiligt: dem Entwurf und der Herstellung des ersten "grünen" Monopropellant-Ladesystems der NASA mit geringer Toxizität für die Betankung von Raumfahrzeugen sowie dem Entwurf eines CubeSat-Druckmoduls, das für die Kopplung mit grünen Treibstoffen optimiert ist. Durch diese beiden Erfahrungen erlangte ich ein tiefgreifendes Verständnis für die Vorteile grüner Antriebssysteme gegenüber den derzeitigen Hydrazin-Monotreibstoffsystemen sowie für die Probleme, die einer weit verbreiteten Verwendung grüner Treibstoffe bei Raumfahrtmissionen im Wege stehen.

Aus meiner Erfahrung bei der NASA habe ich gelernt, dass eines der, wenn nicht sogar das Hauptproblem bei grünen Treibstoffen einfach die Temperaturen sind, die sie für eine ordnungsgemäße Verbrennung benötigen. Herkömmliche Materialien, die sonst häufig in Brennkammern verwendet werden, halten den übermäßig hohen Temperaturen, die mit der thermischen Zersetzung grüner Treibstoffe verbunden sind, nicht stand. Trotz der verschiedenen Vorteile, die grüne Treibstoffe gegenüber herkömmlichen Monotreibstoffen bieten - z. B. geringere Toxizität, höhere Impulsdichte, einfachere Handhabung - werden diese Antriebssysteme unmöglich, wenn herkömmliche Materialien die hohen Temperaturen und/oder die oxidative Verbrennungsumgebung, die mit grünen Treibstoffen verbunden sind, nicht überstehen.

Hier kommen hochschmelzende Metalle ins Spiel. Die Zukunft grüner Antriebe liegt in der Weiterentwicklung der Herstellungstechniken für Refraktärmetalle (RM). Refraktärmetalle wie Iridium und Rhenium sind für die Konstruktion eines grünen Treibsatzes von größter Bedeutung, da sie zu den wenigen Materialien gehören, die den Temperaturen standhalten können, die mit einer anhaltenden thermischen Zersetzung des grünen Treibsatzes verbunden sind. Ihre zeitaufwändige und teure Herstellung hat jedoch die Verwendung von grünen Antriebssystemen auf einige wenige Missionen beschränkt. Darüber hinaus ist die derzeitige Verwendung von Refraktärmetallen in grünen Antriebssystemen größtenteils auf die subtraktive Fertigung beschränkt. Additive Fertigungstechniken in Verbindung mit hochschmelzenden Metallen, wie das Drucken von Rheniumdüsen auf einem DMLS-Druckbett, sind relativ unerforscht. Daher könnte die Entwicklung kostengünstiger subtraktiver RM-Fertigungstechniken sowie zuverlässiger additiver RM-Fertigungstechniken den Bereich der Satellitenantriebssysteme völlig verändern. Diese RM-Fertigungsverfahren würden es ermöglichen, dass grüne Monopropellant-Systeme die derzeitigen Monopropellant-Systeme, wie z. B. Hydrazin-Triebwerke, vollständig ersetzen können, was wiederum die durchschnittliche Toxizität von Monopropellant-Antriebssystemen drastisch senken und ihre Impulsdichte erheblich erhöhen würde.

Warum ist dies wichtig? Obwohl es sich um ein sehr spezifisches technisches Problem innerhalb der Antriebswissenschaften handelt, werden hochschmelzende Metalle einen großen Einfluss auf den Luft- und Raumfahrtsektor haben, sobald die entsprechenden Herstellungsverfahren effizienter werden. Der Hauptvorteil, den grüne Treibstoffe bieten, ist die höhere Impulsdichte, d. h. der höhere Impuls, den die Treibstoffe einem Raumfahrzeug pro Volumeneinheit des Treibstoffs geben können. Dies ist kein kleines technisches Detail. Eine höhere Impulsdichte könnte den Unterschied zwischen der Annahme oder Ablehnung einer bahnbrechenden Mission in der Planungsphase ausmachen. Mit anderen Worten, ein Überschuss an Impulsdichte könnte realistischerweise der letzte Faktor sein, der es einer Mission ermöglicht, voranzukommen und schließlich das, was einst Science-Fiction war, in die Realität umzusetzen.

Die Mission, von der man annimmt, dass sie das kritischste astronautische Unterfangen des kommenden Jahrzehnts sein wird, ist zum Beispiel die Mars Sample Return (MSR) Mission. Der Bereich der Mission, der die modernste Technik erfordert, ist das Marsaufstiegsfahrzeug (MAV). Das MAV ist das Raumfahrzeug, das die Probe von der Marsoberfläche in die Marsumlaufbahn befördern wird. Diese Art des Starts ist offensichtlich noch nie zuvor durchgeführt worden. Die meisten Versuche, ein MAV zu entwerfen, verwenden entweder Feststoff-, Hybrid- oder Monopropellant-Antriebssysteme, um die Nutzlast in die Umlaufbahn zu bringen, und die vorgeschlagene MAV-Antriebsarchitektur ist in der Regel nicht in der Lage, den notwendigen Impuls zu liefern, um die Nutzlast in die Marsumlaufbahn zu bringen. Genau so könnte der Einsatz von hochschmelzenden Metallen zum Erfolg einer der wichtigsten Missionen der Menschheit beitragen. Durch die Weiterentwicklung der RM-Fertigungstechniken bis zu dem Punkt, an dem RMs bei der Konstruktion eines "grünen", leistungsstarken MAV-Antriebssystems verwendet werden könnten, könnte dies den Erfolg einer MSR-Mission ermöglichen und die Menschen dem Betreten der Marsoberfläche einen Schritt näher bringen.

Wie die brillanten Luft- und Raumfahrtingenieure, die vor mir kamen, möchte ich, dass die Produkte meines Lebenswerks Menschen und Roboter über die Erdumlaufbahn hinaus zu unberührten Himmelskörpern bringen. Um diesen Traum zu verwirklichen, muss die Menschheit zunächst erschwingliche und zuverlässige Antriebssysteme der nächsten Generation entwickeln. Hochschmelzende Metalle sind das Schlüsselelement, das die Umwandlung der derzeitigen Hydrazin-Monotreibstoffsysteme in effizientere, zuverlässigere grüne Antriebssysteme ermöglicht. Diese grünen Antriebssysteme werden schließlich den Bereich der Kleinsatellitenantriebe revolutionieren und die hochgesteckten Ziele der Menschheit für die Zukunft der Weltraumforschung ermöglichen.

Referenz: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 NASA Green Propulsion Technology Development Roadmap.

Tolle Arbeit, Charles! Wir wünschen dir alles Gute für deine College-Karriere und darüber hinaus.