SpAACe

Ausgangssituation / Motivation

Materialien, welche in Raumfahrt Anwendungen eingesetzt werden sollen, müssen teils widersprüchliche Anforderungen in Bezug auf Masse, Stabilität, Festigkeit, Steifigkeit und Strahlungsresistenz, erfüllen. Obwohl die verwendeten Materialien dieselben wie in terrestrischen Anwendungen, unterscheidet sich das Arbeitsumfeld mit seinen hochenergetischen Partikeln, der ionisierenden Strahlung, Vakuum, großen thermischen Variationen oder schnellen Meteoriten sehr stark.

Speziell strukturelle Anwendungen im Weltraum erfordern den Einsatz von Materialien mit hoher spezifischer Steifigkeit und Festigkeit, die den harten Weltraumbedingungen ohne relevante Degradation standhalten, und gleichzeitig eine Reduktion von Masse, Platz und Kosten erlauben. Derzeit betragen die mittleren Transportkosten für 1kg in den Weltraum rund €25.000 bis €30.000.

Inhalte und Zielsetzungen

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) und speziell langfaserverstärkte MMC´s ermöglichen die geforderte Kombination der oben genannten Eigenschaften. Obwohl viele MMC Materialien von wissenschaftlichen Einrichtungen untersucht wurden, sind derzeit nur ein geringe Anzahl kommerzieller MMC Materialien, speziell langfaserverstärkte MMC´s, aus europäischer Produktion am Markt verfügbar (TiSiC aus England: SiC-langfaserverstärktes Titan MMC).

Die Gründe dafür liegen in der Schwierigkeit stabiler Prozessführung, welche zu hohen Produktionskosten führt, der Schwierigkeit gleichzeitig hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen und dem begrenzten Markt für MMC Materialien.

Ziel des Projekts SpAACe ist die Entwicklung und Validierung von Langfaser-verstärkten-Al- / Mg-Matrix Legierungen für Weltraumanwendungen wie Landefahrzeuge für Planetenmissionen oder thermisch stabile Strukturen wie Halterungen für Teleskope, welche das Potential kombinierter hoher spezifische Steifigkeit, Festigkeit, thermischer Stabilität (geringe thermische Ausdehnung) erfordern.

Methodische Vorgehensweise

Diese Materialen sind derzeit nicht Markt-verfügbar. Erste Untersuchungen an kontinuierlich faserverstärktem Al, welches von LKR Ranshofen im Zuge des von AAC geleiteten ESA Projekts HighSSM durchgeführt wurden, zeigten vielversprechende Ergebnisse.

Im Speziellen zeigte das untersuchte Material die höchste spezifische Steifigkeit und die geringste thermische Ausdehnung im Vergleich zu anderen vielversprechenden Europäischen MMC Materialien. Sieht man sich jedoch die theoretisch möglichen Werte an, wäre durch adaptierte und verbesserte Prozesse eine Steigerung der spezifischen Steifigkeit um weitere 30% und spezifischen Festigkeit um 200% im Vergleich zum Prototypen Material möglich.

Erwartete Ergebnisse

Um diese Ziele zu erreichen sollen in SpAACe fortschrittliche Fertigungsverfahren, verbesserte Matrixsysteme (Carbon Nanotubes, Graphen modifizierte Legierungen), adaptierte Prozesssimulationsmethoden sowie fortschrittliche Prüfmethoden (Frühphasen-Schädigungsmessung mit Schallemission) zum Einsatz kommen.

Die Methodiken unterstützen die Entwicklung dieser Klasse an Materialien. Im Fall der erfolgreichen Materialentwicklungen, wäre es möglich Strukturen wie kinematischen Lagerungen für optische Instrumente, Muffen für Streben sowie Aktuatoren und Antriebe für Landefahrzeuge mit einem Gewicht von nur 1/3tel bis zu einem 1/5tel im Vergleich zu derzeitigen TiAlV64 Bauteilen zu fertigen.

Projektleitung

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH

Projektpartner:innen

Aerospace & Advanced Composites GmbH

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH
DI(FH) Hubert Grün
Lamprechtshausenerstraße 61
Postfach 26
A-5282 Ranshofen