Schlaglichtthema: Chemie im Weltraum

Leitartikel

Mehr als 280 Molek&uuml;le wurden bisher im interstellaren Raum beobachtet. Beispielsweise finden wir lange, unges&auml;ttigte Kohlenstoffketten, die auf der Erde nicht stabil w&auml;ren, aber auch ges&auml;ttigte Molek&uuml;le wie Dimethylether sowie kleine Zucker. Diese Verbindungen k&ouml;nnen Heteroatome enthalten, aber auch reine Kohlenwasserstoffverbindungen sein. Welche Arten von Molek&uuml;len in welchen Bereichen des Universums detektiert werden, gibt Auskunft &uuml;ber die dort herrschenden chemischen Prozesse und beleuchten eine Chemie unter extremen Bedingungen.
Astrochemie ist stark interdisziplin&auml;r gepr&auml;gt &ndash; im Zusammenspiel aus astronomischen Beobachtungen, Laborexperimenten und theoretischen Beschreibungen werden astrochemische Fragen beantwortet. Laborexperimente liefern Molek&uuml;ldaten, um neue Molek&uuml;le in den astronomischen Beobachtungen zu finden, quantenchemische Rechnungen unterst&uuml;tzen die Laborexperimente und komplexe theoretische Simulationen berechnen Reaktionsnetzwerke und sagen wichtige astrochemische Spezies und Prozesse voraus. Man kann Astrochemie nicht studieren; in der GDCh gibt es auch keine offizielle Fachcommunity, in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) sind die Astrochemiker in der Molek&uuml;lphysik verortet. Radioastronomen haben &uuml;blicherweise Astronomie, Physik oder Chemie studiert, die Laborexperimentatoren Physik oder Chemie. Durch die Zusammenarbeit bekommen auch die im Labor T&auml;tigen einen Einblick in radioastronomische Beobachtungen; man kann auch als Experimentatorin oder Experimentator Beobachtungszeit beantragen und dann selbst Daten auswerten. Und so verl&auml;uft der typische Weg in die Astrochemie: Wenn es am Forschungsstandort astrochemisch arbeitende Gruppen gibt, rutscht man einfach rein.
In den letzten Jahren hat sich die Geschwindigkeit, mit der neue Verbindungen nachgewiesen werden, rasant erh&ouml;ht. Viele neue Molek&uuml;lklassen mit zunehmender Komplexit&auml;t wurden detektiert &mdash; k&uuml;rzlich mit 2-Methyloxiran das erste chirale Molek&uuml;l. Dies ist insbesondere f&uuml;r Untersuchungen zum Ursprungs des Lebens von Interesse. Experimente mit zirkular polarisiertem Licht, welches ebenfalls im Weltall vorkommt, versuchen eine m&ouml;gliche Entstehung eines Enantiomeren&uuml;berschusses nachzuweisen, dies w&auml;re eine Br&uuml;cke zur Entstehung der Homochiralit&auml;t des Lebens.
Die Detektion zunehmend komplexer Molek&uuml;le motiviert uns, Chemie anders zu denken. Astrochemie ist Chemie unter extremen Bedingungen. In Molek&uuml;lwolken im interstellaren Raum mit Temperaturen unter 100 K d&uuml;rfen Reaktionen nicht durch hohe Barrieren gehindert sein oder m&uuml;ssen katalytisch unterst&uuml;tzt ablaufen. Als Konsequenz spielen Gasphasenreaktionen zwischen Ionen und neutralen Reaktionspartnern eine gro&szlig;e Rolle. Durch die geringen Dichten in diesen Umgebungen treffen sich die Reaktionspartner allerdings nur selten; als Daumenregel kann man einen reaktiven Sto&szlig; alle zwei Wochen annehmen. Daher fehlte lange eine entscheidende Komponente, um die Entstehung komplexer Molek&uuml;le im Weltall zu verstehen, solange nur Gasphasenreaktionen ber&uuml;cksichtigt wurden. Heute wei&szlig; man, dass ein wichtiger Teil der Chemie auf kleinen Eis- und Staubpartikeln stattfindet. Photochemische Reaktionen, initiiert durch Sternenlicht, spielen auch eine bedeutende Rolle.
Neuartige Teleskope wie das Atacama Large (Sub-)Millimeter array (Alma) im Radiofrequenzbereich, in dem Rotations&uuml;berg&auml;nge der Molek&uuml;le detektiert werden, sowie das erst k&uuml;rzlich in Betrieb genommene James Webb Space Telescope (JWST), welches vorwiegend im Infraroten arbeitet, versprechen einen Schatz an neuen Molek&uuml;ldaten &ndash; ein hervorragendes Anwendungsfeld f&uuml;r Chemikerinnen und Chemiker verschiedenster Fachrichtungen.
Prof. Dr. Melanie Schnell, Universit&auml;t Kiel, Forschungsgruppenleiterin am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/81bDwzwITMy41RWZnQs6" />

Meinungsbeitrag

Moleküle im Weltraum

Wissenschaft + Forschung

Trendbericht Physikalische Chemie 2023 (1/3)

Astrochemistry of star and planet formation

Industrie + Technik

Hervorgegangen aus milit&auml;rischen Entwicklungen sind Komposittreibstoffe die am h&auml;ufigsten eingesetzten festen Raketentreibstoffe. Daf&uuml;r m&uuml;ssen Binderpolymere, Oxidationsmittel, Brennstoffe und Additive zusammen hohen Schub erzeugen.
Anfang des Jahres fand im bayerischen Aschau am Inn eine Premiere statt: Nach sechs Jahren Entwicklungsarbeit wurde eine der weltweit gr&ouml;&szlig;ten Feststoffraketen auf deutschem Boden hergestellt. Der &bdquo;Red Kite&ldquo; genannte Raketenmotor soll k&uuml;nftig bis zu 200 Kilogramm wissenschaftliche Nutzlasten auf eine H&ouml;he von zirka 240 Kilometer bringen, um Experimente in der Schwerelosigkeit durchzuf&uuml;hren. So lassen sich beispielsweise Erkenntnisse zur Physik und Chemie verschiedener Atmosph&auml;renschichten gewinnen oder biologische Ph&auml;nomene in der Schwerelosigkeit erforschen. Nach einem Testflug kommenden September sollen damit regelm&auml;&szlig;ig Forschungsmissionen laufen. Das energetische Kernst&uuml;ck von &bdquo;Red Kite&ldquo; besteht aus &uuml;ber 900 Kilogramm Komposit-Festtreibstoff, wie er in anderen zivilen und milit&auml;rischen Systemen zum Einsatz kommt.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/xLz97ba0Tl6CWkwG5E8J" />
<figcaption><label>Abb.1: </label>Brennender Festtreibstoff.</figcaption>
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<h2 type="main">Polymeres Grundger&uuml;st als Basis</h2>
Komposit-Festtreibstoffe bestehen aus einem polymeren Netzwerk, in das kristalline Oxidationsmittel und, je nach Rezeptur, pulverf&ouml;rmige Metalle sowie weitere Additive eingearbeitet sind. Die polymere Matrix, der Binder, dient dabei gleichzeitig als Reduktions- und Bindemittel, das die Festigkeit und Elastizit&auml;t sicherstellt. Die Konsistenz dieser Mischung ist der eines handels&uuml;blichen Radiergummis &auml;hnlich (Foto rechts oben).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/6myasl9Q6GR5BvN4Kmyi" />
<figcaption><label>Abb.2: </label>Probe eines typischen, ausgeh&auml;rteten Komposittreibstoffs. Die hellen Partikel sind grobk&ouml;rniges Ammoniumperchlorat, die Bindermatrix ist durch fein verteiltes Eisenoxid rot gef&auml;rbt. Alle Fotos: Bayern-Chemie</figcaption>
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Basis des Binders sind langkettige, fl&uuml;ssige Pr&auml;polymere, die mit Vernetzern, den H&auml;rtern, zu einem quervernetzten Netzwerk aush&auml;rten. Die am h&auml;ufigsten verwendeten Vertreter dieser Binderpolymere sind Polybutadiene (PB), zum Beispiel hydroxylterminiertes PB (HTPB, Grafik).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/SFs3TZa9RBSOlodsxYlz" />
<figcaption><label>Abb.3: </label>Strukturen g&auml;ngiger Treibstoffkomponenten.</figcaption>
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Hydroxygruppen an Kettenende und Seitenketten des Pr&auml;polymers reagieren w&auml;hrend der Aush&auml;rtung mit Isocyanaten der H&auml;rterkomponente, wodurch ein dreidimensional additionsvernetztes Polyurethan entsteht. In den meisten F&auml;llen greift man dabei auf aliphatische Isocyanate zur&uuml;ck, ein typischer Vertreter ist Isophorondiisocyanat (IPDI, Grafik). Seltener werden Polymere verwendet, die durch Vernetzung von Carbons&auml;uren mit Aziridinen und/oder Epoxiden entstehen. Aus toxikologischer Sicht ist es g&uuml;nstiger, Polyurethane statt dieses Grundger&uuml;sts zu verwenden.
In Spezialanwendungen gibt es Azidpolymere wie Glycidylazidpolymer (GAP, Grafik): Zersetzen sich die Azidgruppen zu molekularem Stickstoff, entstehen viel Energie und gro&szlig;e Gasvolumina.1) Angewendet wird das beispielsweise f&uuml;r ein Rettungssystem in U-Booten: Der Treibstoff soll dort keinen Schub erzeugen, sondern &auml;hnlich wie bei einem Kfz-Airbag in kurzer Zeit eine gro&szlig;e Menge inerter Gase freisetzen. Diese dr&uuml;cken Wasser aus den Ballasttanks und erm&ouml;glichen im Notfall ein schnelles Auftauchen des U-Boots. Je nach Zusammensetzung sind Treibstoffe mit GAP empfindlicher in der Handhabung als andere.
<h2 type="main">Hauptbestandteil: Oxidator</h2>
Mit bis zu 85 Prozent den gr&ouml;&szlig;ten Anteil an Festtreibstoffen hat das Oxidationsmittel. Hier kommt oft Ammoniumperchlorat (APC) zum Einsatz. APC bringt hohe Leistung, ist preisg&uuml;nstig, und Treibstoffeigenschaften wie Abbrandgeschwindigkeit und Verarbeitungsviskosit&auml;t lassen sich &uuml;ber Korngr&ouml;&szlig;en&auml;nderungen oder auf APC ausgerichtete Katalysatoren einstellen. Das Perchlorat bildet beim Abbrand Salzs&auml;ure : Zirka 30 Massenprozent der Abbrandprodukte eines klassischen Komposittriebwerks bestehen daraus. Nicht nur aus &ouml;kologischer Sicht ist das bedenklich &ndash; in der milit&auml;rischen Verwendung sorgt die am Abgasstrahl kondensierende Luftfeuchtigkeit f&uuml;r einen Nebel (Foto rechts). So lassen sich Startplattform und Flugk&ouml;rper schnell aufkl&auml;ren und bek&auml;mpfen.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/lAk2QVnLTIqXE0Wc4kBg" />
<figcaption><label>Abb.4: </label>Abbrand eines Testmotors am Raketenpr&uuml;fstand. Pro Sekunde setzt der Motor zirka 100 Kilogramm Treibstoff um; es entstehen Rauch und Nebel.</figcaption>
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Aus diesen Gr&uuml;nden wird seit Jahren an alternativen Oxidatoren geforscht. Einen Stoff zu finden, der alle Anforderungen &auml;hnlich gut wie APC erf&uuml;llt, ist allerdings schwierig. Strontium- oder Ammoniumnitrat (AN) kommen in manchen Spezialanwendungen zum Einsatz. Sie erreichen jedoch einen geringeren Schub. Zudem st&ouml;ren Effekte wie die Phasen&uuml;berg&auml;nge in NH4NO3.
Verh&auml;ltnism&auml;&szlig;ig neu ist Ammoniumdinitramid (ADN, Grafik) als Oxidator &ndash; diverse H&uuml;rden durch die Kristallform und mechanischen Eigenschaften machen einen Einsatz schwierig. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben Fortschritte hin zur kommerziellen Anwendung gebracht (Fotos, S, 24).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/btVSLMwSReSTKX7M4wi5" />
<figcaption><label>Abb.5: </label>Oben: Ein lose brennendes Komposittreibstoffst&uuml;ck mit Ammoniumperchlorat; wei&szlig;e Funken stammen von brennenden Aluminiumpartikeln. Unten: Treibstoffst&uuml;ck, auf Ammoniumdinitramid basierend.</figcaption>
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<h2 type="main">Kneten, Gie&szlig;en, H&auml;rten</h2>
Neben der chemischen Zusammensetzung beeinflusst das Herstellverfahren die sp&auml;teren Eigenschaften. Angefangen wird meist mit Vorlegen der fl&uuml;ssigen Komponenten (au&szlig;er dem H&auml;rter), in die dann schrittweise alle Feststoffe eingearbeitet werden. Damit sich die Komponenten gut durchmischen, werden industrielle Kneter verwendet, die hohe Scherkr&auml;fte aufbauen (Foto, S. 25).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/1qG6JnVURImCj32NmViY" />
<figcaption><label>Abb.6: </label>Einblick in die gro&szlig;technische Treibstoffherstellung. Ineinandergreifende Mischerschaufeln liefern homogene Mischergebnisse.</figcaption>
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Prozessparameter wie Dosierrate oder Mischzeiten k&ouml;nnen die sp&auml;teren mechanischen und ballistischen Eigenschaften beeinflussen, also die Abbrandgeschwindigkeit und deren Abh&auml;ngigkeit von Druck und Temperatur. Hier m&uuml;ssen Treibstoffchemiker und Prozessingenieure eng zusammenarbeiten.
Im letzten Prozessschritt wird der fl&uuml;ssige H&auml;rter eingemischt, und die z&auml;hfl&uuml;ssige Masse kann schlie&szlig;lich in die Brennkammer gegossen werden. Bei Temperaturen von 40 bis 80 &deg;C h&auml;rten die Treibstoffe f&uuml;r zirka f&uuml;nf bis zehn Tage aus; nach Demontage der Gie&szlig;werkzeuge ist der Treibstoff fertig.
Durch die Kombination reaktiver Oxidations- und Reduktionsmittel sind Raketentreibstoffe klassische Explosivstoffe. Alle Maschinen, Geb&auml;ude und Werkzeuge in der Herstellung und Bearbeitung m&uuml;ssen daher besonderen Anforderungen entsprechen. Neben gro&szlig;en Sicherheitsabst&auml;nden ist das Arbeiten &bdquo;unter Sicherheit&ldquo; zentraler Bestandteil: M&ouml;glichst viele Prozesse werden ferngesteuert ohne direkt anwesende Mitarbeiter durchgef&uuml;hrt. Bei Explosion oder ungewollter Entz&uuml;ndung ist so lediglich mit Sachsch&auml;den, aber nicht mit Verletzten oder gar Toten zu rechnen.
<h2 type="main">Sicherheit und Funktionalit&auml;t</h2>
Als Explosivstoff m&uuml;ssen Treibstoffe sicher im Umgang sein: Die Empfindlichkeit gegen mechanische und thermische Lasten darf von den ersten Herstellschritten bis zum Abbrand nie zu gro&szlig; werden.
Ein Treibstoff muss Schub erzeugen. Gemessen wird der im spezifischen Impuls Isp [N&middot;s&middot;kg&ndash;1], der angibt, wie viel Schub in Ns pro kg Treibstoffmasse sich erreichen lassen. Der Isp h&auml;ngt direkt ab von der Brennkammertemperatur beim Abbrand &ndash; je exothermer die Verbrennungsreaktion, desto h&ouml;her der Schub. Umgekehrt verh&auml;lt es sich mit der mittleren Molmasse der Abbrandprodukte Mw: Je kleiner Mw, desto mehr Schub.2)
Wichtig sind zudem die mechanischen Eigenschaften: Das Kompositmaterial muss hohe Anspr&uuml;che an Dehnf&auml;higkeit, Spannung und Elastizit&auml;tsmodul erf&uuml;llen, damit w&auml;hrend des gesamten Lebenszyklus weder Risse noch Verformungen entstehen. Speziell im milit&auml;rischen Bereich ist das eine hohe H&uuml;rde, weil diese Anforderungen in einem Temperaturband von &ndash;54 bis +71 &deg;C und auch nach jahrelanger Alterung erf&uuml;llt werden m&uuml;ssen. Im selben Temperaturband m&uuml;ssen die ballistischen Eigenschaften passen (Grafik).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pOf0U07QAOAe7pNYYCWX" />
<figcaption><label>Abb.7: </label>Abbrandraten eines Treibstoffs bei verschiedenen Druck- und Temperaturniveaus. Bei Festtreibstoffen h&auml;ngen sie ma&szlig;geblich von der Temperatur des Treibstoffs und dem Druck in der Brennkammer ab.</figcaption>
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F&uuml;r den Herstellprozess soll die Treibstoffmasse direkt nach Mischende noch flie&szlig;f&auml;hig sein, darf danach aber weder zu schnell noch zu langsam aush&auml;rten. Erreicht werden diese und weitere Anforderungen durch Katalysatoren und Additive, die meist in mehrere Eigenschaften gleichzeitig eingreifen.
Nicht selten wird bei kleinen &Auml;nderungen ein Parameter verbessert, w&auml;hrend ein anderer dabei deutlich schlechter wird. F&uuml;r jedes System hier die richtige Balance zu finden, ist die Kunst des Treibstoffchemikers. Aus milit&auml;rischer Sicht sollte ein Raketenmotor zus&auml;tzlich die Eigenschaften als insensitive Munition (IM) erf&uuml;llen, darf also beispielsweise bei Beschuss nicht detonieren.
<h2 type="main">Festtreibstoffe im Weltraum</h2>
Nicht nur auf dem Weg dorthin, sondern auch direkt im Weltraum kommen Feststoffmotoren zum Einsatz. Das Material muss dann etwa die enorme, teilweise jahrelange Belastung mit ionisierender Strahlung und den Einschlag hochenergetischer Mikrometeoriten aushalten. Zusammen mit der Europ&auml;ischen Raumfahrtagentur ESA hat der Raketenhersteller Bayern-Chemie in einem Forschungs- und Entwicklungsprogramm experimentell nachgewiesen, dass die harschen Weltraumbedingungen selbst nach langer Zeit Qualit&auml;t und Leistung von Feststoffantrieben nur wenig beeintr&auml;chtigen.
Geplant ist eine Anwendung vor allem an Bord von Satelliten: Mit einem Feststoffraketenmotor k&ouml;nnen Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer kontrolliert zum Absturz gebracht werden. Dies verhindert Weltraumschrott im Orbit, der sonst gef&auml;hrlich f&uuml;r bestehende und k&uuml;nftige Missionen ist.4)
<h2 type="main">Fest, fl&uuml;ssig oder beides?</h2>
Raketenantriebe lassen sich je nach Bauart in Systeme mit fl&uuml;ssigen, festen oder hybriden Treibstoffen unterteilen. Fl&uuml;ssige Antriebssysteme liefern pro Masseneinheit Treibstoff sehr hohen Schub: die Kombination aus fl&uuml;ssigem Sauerstoff (Lox) und Wasserstoff LH2 zirka 4700 Ns&middot;kg&ndash;1. Allerdings muss die Rakete spezielle Tanks und ein komplexes System aus F&ouml;rderleitungen und Spezialpumpen mit sich f&uuml;hren. Die Leistung von Fl&uuml;ssigantrieben ist regelbar. Viele der Oxidator-Brennstoffkombinationen sind dabei entweder extrem tiefgek&uuml;hlt, etwa Lox/LH2, oder es sind aggressive, toxische Verbindungen notwendig wie Hydrazin und rauchende Salpeters&auml;ure.
Aufwendige Architektur und komplexe Betankungsvorg&auml;nge gibt es bei Feststoffmotoren nicht. Einmal hergestellt, sind Feststoffantriebe im Prinzip jederzeit einsatzbereit. Ein Gro&szlig;teil der Masse und des Volumens des Feststoffantriebs besteht aus reinem Treibstoff, der auf die Masse bezogen jedoch weniger Schub liefert als im direkten Vergleich mit Fl&uuml;ssigantrieben. Eine Regelung oder Abschalten ist hier nicht m&ouml;glich: Einmal entz&uuml;ndet, brennt der Motor mit seinem vorgegebenen Schubprofil vollst&auml;ndig ab.
Gewisserma&szlig;en das Bindeglied zwischen beiden Antriebsarchitekturen sind Hybrid-Triebwerke: Hier wird ein fl&uuml;ssiger oder gasf&ouml;rmiger Oxidator wie hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid oder Fl&uuml;ssigsauerstoff &uuml;ber eine feste Brennstoffoberfl&auml;che gef&uuml;hrt. Sie besteht aus Kohlenwasserstoffen wie Polyethylen oder Paraffin. Der Aufbau ist hier weniger komplex als in klassischen Fl&uuml;ssigantrieben, und die Leistung l&auml;sst sich regeln.
<h2 type="main">Weniger toxisch und 3-D-Druck</h2>
Der technische Grundstein der Komposittreibstoffe wurde in den 1960er und 1970er Jahren gelegt. Verbesserungen und Weiterentwicklungen haben sich seitdem ergeben, getrieben von zivilen und milit&auml;rischen Projekten.
Standen zun&auml;chst m&ouml;glichst viel Leistung und ein besseres Verst&auml;ndnis der viskoelastischen Eigenschaften im Vordergrund, legen Forschung und Entwicklung zunehmend den Schwerpunkt auf Umweltvertr&auml;glichkeit (weniger toxische Treibmittel mit h&ouml;herer Leistung, green propellants). Beispielsweise ergeben Oxidationsmittel wie ADN seit einigen Jahren v&ouml;llig neue Systeme. Neue Katalysatorkonzepte und Polymere werden ebenfalls getestet.
Nicht nur die chemische Zusammensetzung, auch f&uuml;r die Herstellverfahren gibt es neue Ans&auml;tze: Auf Akustik-Resonanz basierende Mischverfahren wie das Resonant Acoustic Mixing (RAM)5) sollen die Mischzeiten von Tagen auf wenige Minuten k&uuml;rzen. Additive Fertigungsverfahren werden erforscht: 3-D-Druck erm&ouml;glicht neue Geometrien und Treibstoffe mit variablen Zusammensetzungen. Nachdem dabei keine klassische Polyurethanchemie mehr stattfindet, muss die polymere Grundstruktur hierf&uuml;r neu erdacht und untersucht werden.
<h2 type="main">Der Autor</h2>
Marcel Holler ist Technical Expert Energetic Materials im Chemical Development, BCT2, bei Bayern-Chemie, einem Unternehmen f&uuml;r Lenkflugk&ouml;rper- und Raumfahrtantriebe in Aschau am Inn. Er ist Pyrotechniker und hat an der Ludwigs-Maximilians-Universit&auml;t M&uuml;nchen in Chemie promoviert.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Tnd3qtU2RuC5cdVmDzsQ" />
<a href="https://www.bayern-chemie.com" target="_blank" rel="noopener">www.bayern-chemie.com</a>
<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20234135674-bibl-0001">
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0001">1 A. Davenas, Solid Rocket Propulsion Technology, Elsevier Newnes, 2012</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0002">2 G. P. Sutton, O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements, 9th ed., Wiley, 2016</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0003">3 S. Sims, S. Fischer, C. Tagliabue, Prop., Explos., Pyrotech. 2022, 47, e20220002</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0004">4 M. Holler et al., 8th Space Propulsion Conference, Estoril, Portugal, May 2022</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0005">5 P. C. Smith, J. P. Huf, C. A. Williams, Prop., Explos., Pyrotech. 2022, 47, e202100028</li>
</ul>

Raumfahrt

Feste Treibstoffe für Raketen

Das liefern Chemieunternehmen f&uuml;r Raketen, Satelliten und Erkundungen im All: Schaumstoffe absorbieren Schall und sch&uuml;tzen elektronische Raketensysteme vor Startvibrationen. Wasserstoffperoxid treibt Raketen an, und Folien beschichten Solarzellen, die Satelliten mit Energie versorgen.
Tausende von Kleinsatelliten werden im All platziert, um Kommunikation auf der Erde zu erm&ouml;glichen. Die Tr&auml;gerraketen daf&uuml;r ben&ouml;tigen Antriebssysteme, die wendig, einfach zu handhaben und wirtschaftlich sind. Raumfahrtunternehmen und Start-ups dr&auml;ngen auf einen Markt, der bisher gepr&auml;gt war von gro&szlig;en staatlichen Organisationen wie der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (Nasa) oder der European Space Agency (Esa). Die privaten Unternehmen optimieren bisherige Techniken unter Wettbewerbsbedingungen, was f&uuml;r Chemiefirmen Auftr&auml;ge und Investitionsm&ouml;glichkeiten bedeuten kann.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/m4shC6ESwyl7vFfm0G7b" />
<figcaption><label>Abb.1: </label>Spaceshuttle mit Rauch aus Feststoffraketenboostern. Bild: NASA/Sandra Joseph, Tony Gray, Robert Murray</figcaption>
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<h2 type="main">Satelliten bauen</h2>
Materialien m&uuml;ssen im Weltraum temperatur- und UV-best&auml;ndig sein sowie raschen Temperatur- und Druckwechseln standhalten. Das M&uuml;nchner Unternehmen Wacker Chemie liefert daf&uuml;r spezielle Silikondicht- und -klebstoffe. Sie entsprechen den Standards der Esa f&uuml;r Solarmodule an Satelliten, die in bis zu 36 000 Kilometern H&ouml;he die Erde umkreisen.
Die Materialien sollen m&ouml;glichst wenig ausgasen, um Delaminierungen unter den Niederdruckbedingungen im Weltraum zu vermeiden. Sie m&uuml;ssen zudem k&auml;lteflexibel und elastisch bis zur Glas&uuml;bergangstemperatur bei unter &ndash;100 &deg;C sein. So lassen sich damit Solarzellenarrays auf der Polyimidfolie &uuml;ber der Sonnensegel-Tr&auml;gerstruktur befestigen.
Antistatische Kleber eignen sich f&uuml;r Erdungsbaugruppen, und tiefschwarze Pigmentierung erm&ouml;glicht, optische Komponenten lichtdicht zu verkleben.
Die Raumsonde Light Sail 2, die im November 2022 in der Erdatmosph&auml;re vergl&uuml;ht ist, wurde mit einem 32 Quadratmeter gro&szlig;en, quadratischen Sonnensegel angetrieben. Einen Monat sollte die Sonde der gemeinn&uuml;tzigen, nichtstaatlichen Organisation Planetary Society halten; sie kreiste etwas mehr als drei Jahre um die Erde.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/6QFqzjn0RDOs2EXF0zF3" />
<figcaption><label>Abb.2: </label>Ein Sonnensegel, das etwa Satelliten mit Energie versorgt. Abbildung: giovanni / Adobe Stock</figcaption>
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<h2 type="main">Raketen antreiben</h2>
F&uuml;r die Raumfahrt entwickeltes Wasserstoffperoxid produziert das Essener Unternehmen Evonik in Rheinfelden und im US-amerikanischen Bayport: Der Treibstoff Propulse startet Raketen. Zudem soll er Satelliten mit kurzen Impulsen navigieren helfen. H2O2 zersetzt sich an einem Katalysator und entwickelt dabei Hitze, Wasserdampf und Sauerstoff, was den Schub erzeugt.
F&uuml;r ein EU-Projekt (hybrid propulsion module for transfer to geo, Hyprogeo) entwickelte Evonik 98%iges Wasserstoffperoxid als Treibmittel f&uuml;r ein Hybridraketentriebwerk. Dabei reagiert der aus H2O2 freigesetzte Sauerstoff zum Beispiel mit Polyethylen, das das Weinheimer Unternehmen Freudenberg speziell f&uuml;r solche Anwendungen herstellt. Die Reaktion liefert ausreichend Schub, um Satelliten in den Orbit zu bringen.
Derzeit arbeitet Evonik an einem zweiten EU-Projekt mit (european newspace vertical orbital launcher, Envol). Neun Unternehmen aus sieben L&auml;ndern bilden ein Konsortium, geleitet vom norwegischen R&uuml;stungskonzern Nammo Raufoss. Es soll ein Hybridraketensystem f&uuml;r den europ&auml;ischen Raumfahrtmarkt entwickeln, das bis zu 500 Kilogramm schwere Satelliten ins All bef&ouml;rdert; 300 Kilogramm wiegt der Satellit, 200 Kilogramm sind Nutzlast. Evonik stellt den Treibstoff sowie Kenntnisse zu H2O2-Materialvertr&auml;glichkeit, -Lagerung, -Handhabung, -Dosierung und -Transport.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/q2MF2xKoThSLT3ve0EzC" />
<figcaption><label>Abb.3: </label>Die im Envol-Projekt geplante Rakete, hier computergeneriert, soll mit einem Hybridantriebssystem fliegen, das hydroxylterminiertes Polybutadien und Wasserstoffperoxid verwendet. Bild: Envol</figcaption>
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/44vW037DSDSel6Ypv5tL" />
<figcaption><label>Abb.4: </label>And&oslash;ya Space Port in Norwegen: Von hier aus sollen k&uuml;nftig Satelliten ins All gelangen. Foto: Evonik</figcaption>
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Seit mehr als zehn Jahren arbeitet das Institut f&uuml;r Aerodynamik und Str&ouml;mungstechnik vom Deutschen Zentrum f&uuml;r Luft- und Raumfahrt (DLR) an Raketenantriebssystemen. Es verwendet bei Experimenten auf dem DLR-Testgel&auml;nde in Trauen in der L&uuml;neburger Heide Evoniks Propulse als Treibstoff (Foto).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/aESEdDsUQTad7xAybzEL" />
<figcaption><label>Abb.5: </label>Test des Hybridraketentriebwerks Viserion. Die Triebwerke hat das Deutsche Zentrum f&uuml;r Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Treibstoff ist das hochkonzentrierte Wasserstoffperoxid von Evonik, Propulse. Bild: DLR, CC BY-NC-ND 3.0</figcaption>
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<h2 type="main">Von der Erde zu Mond und Mars</h2>
Der Rover Perseverance landete im Februar 2021 auf dem Mars (Foto). Er enth&auml;lt f&uuml;r die Lithiumionenbatterien auf diese Raumfahrtmission abgestimmte Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Kathodenmaterialien des Unternehmens BASF. Die Marsmission fliegt das BASF-Produkt 472 Millionen Kilometern ins All.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ND4cQWLVSHuGY7AT0mtg" />
<figcaption><label>Abb.6: </label>Boden des Jezero-Kraters auf dem Mars, am 2. Februar vom Mars-Rover Perseverance aufgenommen. Die Spuren des Rovers verschwinden in einem einen Kilometer entfernten H&uuml;gel; er ist ein &Uuml;berbleibsel des Flussdeltas des Jezero-Kraters. Foto: NASA / JPL-Caltech</figcaption>
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Auf den Mond gelangten Produkte der Ludwigshafener bereits im Juli 1969 mit der Apollo 11: Eine feuerfeste Beschichtung, der Lack Diofan 190D, sch&uuml;tzte die Elektronik der Mondlandef&auml;hre. Und der Greifarm eines amerikanischen Space Shuttles im Jahr 1987 bestand aus dem BASF-Kunststoff Celion GY 70.
Die Tr&auml;gerrakete Ariane 5 transportiert f&uuml;r die Esa Satelliten in den Weltraum. Seit dem Jahr 2005 verkleidet Basotect, ein BASF-Schaumstoff auf Melaminharzbasis, die Raketenspitze. Er sch&uuml;tzt die Satelliten vor dem Schalldruck durch hochfrequente Vibrationen w&auml;hrend der Startphase. Die offenzellige Schaumstruktur des Werkstoffs aus hauchd&uuml;nnen Stegen macht das Material elastisch. Daher lassen sich die Basotect-Platten an der konisch geformten Innenseite der Nutzlastverkleidung montieren. Der Schaumstoff bleibt bei Temperaturen zwischen &ndash;200 &deg;C und 240 &deg;C flexibel.
Weitere Produkte f&uuml;r die Luft- und Raumfahrt sind hydroxylterminierte Polybutadiene von Evonik; sie halten Polyurethan-Matrizen als Bindemittel in Feststofftriebwerken zusammen. Evonik-Hartschaumstoff dient als Kern von Sandwich-Kompositmaterialien in Raumfahrzeugen. Wacker liefert zudem Polysilicium als Grundmaterial f&uuml;r Mikroelektronik und Solarpanels in Satelliten.
<h2 type="main">Neue Raumfahrt</h2>
Ein neuer Raumfahrtsektor nennt sich &bdquo;New Space&ldquo;: Start-ups statt der gro&szlig;en staatlichen Agenturen treiben die Entwicklung voran. Ein Wettbewerb des Deutschen Zentrums f&uuml;r Luft- und Raumfahrt hat drei Start-ups ausgezeichnet, die an Kleintr&auml;gerraketen etwa f&uuml;r den Satellitentransport arbeiten. Die drei Start-ups erhalten insgesamt 25 Millionen Euro aus dem deutschen Beitrag im Esa-Programm:
Den ersten Preis erhielt Isar Aerospace Technologies. Ihre Tr&auml;gerrakete Spectrum soll Nutzlasten wie Satelliten von bis zu 1000 Kilogramm in die Erdumlaufbahn bef&ouml;rdern. K&uuml;rzlich hat das Unternehmen zudem mehrere Starts mit dem US-amerikanischen Anbieter von Weltraumreisen, Spaceflight, vereinbart. Die Isar-Aerospace-Gr&uuml;nder sind ehemalige Studierende der Technischen Universit&auml;t M&uuml;nchen; sie bauen unweit der bayerischen Landeshauptstadt an ihrer Rakete, die erstmals in der zweiten Jahresh&auml;lfte starten soll.
Die Rocket Factory Augsburg (RFA) will ihre RFA One Ende des Jahres vom Saxavord Spaceport auf den Shetlands, dem n&ouml;rdlichsten Punkt Gro&szlig;britanniens, starten. Partner ist das ukrainische Unternehmen Lunar Research Service. Der Flug soll Informationen f&uuml;r weitere Missionen sammeln, etwa zur Monderforschung.
Das Start-up Hy Impulse Technologies aus Neuenstadt am Kocher in Baden-W&uuml;rttemberg setzt auf Hybridmotoren, die festes Paraffin mit fl&uuml;ssigem Sauerstoff verbrennen. K&uuml;rzlich haben Fl&uuml;ssigsauerstofftanks aus kohlefaserverst&auml;rktem Polymer von Adamant Composites, einem griechischen Verbundwerkstoffhersteller, daf&uuml;r einen Bersttest bestanden (Video zu sehen unter <a href="https://t1p.de/hky6i" target="_blank" rel="noopener">t1p.de/hky6i</a>). Ein erster Start k&ouml;nnte n&auml;chstes Jahr gelingen.
Nachrichten-Redakteurin Maren Bulmahn hat sich unter Unternehmen umgeschaut, die Weltraumtaugliches produzieren.

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