Space Tech Expo: Fraunhofer zeigt multifunktionale Leichtbaustrukturen und vibroakustische Metamaterialen
Zukünftige Trägerraketen-Konzepte werden noch leichter sein, denn in der
Raumfahrtindustrie wird jedes Bauteil optimiert, um einen wirtschaftlich
günstigen Betrieb zu gewährleisten. Die Entwicklung neuer Materialien und
multifunktionaler Strukturen sowie innovativer Fertigungstechnologien ist
dafür unerlässlich. Im Fraunhofer LBF wurde die Umsetzung der
vibroakustischen Metamaterialien-Technologie für eine zylindrische
Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht sowie ein Konzept für
multifunktionale, tragende Leichtbaustrukturen für Satelliten entwickelt.
Dabei haben die Forschenden mehrere Funktionen in zwei typische
Strukturelemente eines herkömmlichen Satelliten integriert.
Trägerraketen mit optimiertem Schwingungsverhalten
Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK)
ermöglichen große Masseneinsparungen bei Trägerraketen und werden für die
Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen.
So will die Europäische Weltraumorganisation (ESA) bis 2025 eine Oberstufe
komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff für die neue Generation der Ariane
6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazität um zwei Tonnen zu
erhöhen. Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu
metallischen Materialien ein höheres Steifigkeits-Masse-Verhältnis
aufweisen, können sie bei bestimmten Frequenzen zu höheren
Schwingungsamplituden führen, die insbesondere in der Startphase kritisch
sind. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Schwingungen sind
vibroakustische Metamaterialien.
Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten
erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden
spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und
Schwingungsminderung eingesetzt. Die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF haben konzeptionelle und numerische
Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Es traten
Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich
zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz auf.
Leichte Satelliten mit integrierten Funktionen
In tragende Satellitenstrukturen sind verschiedene Funktionen integriert,
die normalerweise von eigenständigen Satellitensubsystemen und
-komponenten bereitgestellt werden.
Am Fraunhofer LBF wurden numerische Modelle zur mechanischen Beschreibung
der Leichtbaustrukturen mit integrierten aktiven Funktionen entwickelt,
mit denen das reale Verhalten der Satellitenstrukturen effizient und
zuverlässig abgebildet werden kann. Dieses neu entwickelte integrative
Konzept fügt den vorhandenen Strukturen aktive Funktionen, beispielsweise
Schwingungsminderung oder Energie- und Datenübertragung. Auch die
Integration passiver Funktionen, wie Wärmeübertragung,
Strahlungsabschirmung oder Aufprallschutz ist möglich.
Vorteile dieses neuen technologischen Konzepts sind die Verringerung der
Masse und des Volumens des Satelliten, aber auch ein hochintegrativer und
standardisierter »One-Shot« Produktionsprozess. Dieser macht die
Herstellung, Integration, Qualifizierung, den Start und den Betrieb eines
Satelliten kosten- und zeiteffizienter.
Mehr zu den neuen Forschungsergebnissen präsentieren die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom 16. bis 18. November auf dem
Fraunhofer-Stand N 40 in Bremen.
