Erdbeobachtung, Forschung, Telekommunikation inklusive Systemen für einen weltweiten Internetzugang: Eine Folge der Kommerzialisierung der Raumfahrt ist eine starke Zunahme der Satelliten im Erdorbit. Der Bedarf an maßgeschneiderten Technologien für die neue Vielfalt an künstlichen Erdtrabanten befeuert auch die Forschungsarbeit in diesem Bereich.
Bauteile müssen etwa möglichst klein und leicht sein, um einen kostengünstigen Start der Satellitenfracht ins All zu gewährleisten. Zum Teil müssen sie auch in Serie für große Konstellationen herstellbar sein. Diese Entwicklungen betreffen unter anderem auch die Werkstofftechnik – ein Feld, in dem das niederösterreichische Unternehmen RHP Technology tätig ist.
Gasdruck regulieren
In dem Forschungsunternehmen, das im Jahr 2010 aus einer Umstrukturierung des Austrian Institute of Technology (AIT) hervorging, wurden im Rahmen eines mehrjährigen EU-Projekts spezielle Komponenten für Satelliten entwickelt, die die Druckregulierung von Gas-Treibstofftanks ermöglichen. Die Bauteile kamen auch prompt in der Raumfahrtpraxis zum Einsatz: Sie finden mittlerweile Anwendung in hunderten Satelliten für eine Satelliten-Konstellation, die global einen Zugang zum Internet bieten sollen. Um die Produktion in Serie bewerkstelligen zu können, gründete RHP im Jahr 2018 dafür ein eigenes Spin-off-Unternehmen.
Bei AT Space, das wie die Muttergesellschaft in Seibersdorf, aber auch in Hof am Leithaberge ansässig ist, stellen bis zu acht Mitarbeitende die Bauteile her, die als Teil der Satelliten ins All fliegen. "Insgesamt haben wir bisher etwa 600 Einheiten für den Space-Bereich gefertigt", erklärt Erich Neubauer, der mit Michael Kitzmantel sowohl RHP Technology als auch AT Space leitet. Unterstützt wurden die Technologieentwicklung und der Aufbau der Produktion des Spin-offs unter anderem von der Förderagentur FFG, dem neuen Esa Business Incubation Center (ESA BIC), dem Klimaschutzministerium und dem niederösterreichischen Tech-Inkubator Accent.
Satelliten nutzen für die Positionierung und Ausrichtung verschiedene Antriebssysteme. Einige davon erfordern gasförmige Treibstoffe wie Xenon, das in Hochdruckbehältern mitgeführt wird. Bevor es im Antrieb zum Einsatz kommen kann, muss der Druck, unter dem das Gas im Tank steht, "herunterreguliert" werden, erklärt Neubauer. "Im Tank besteht ein Druck von mehreren 100 Bar. Man benötigt ein Regulierungssystem, das den Druck des entnommenen Gases in den Bereich von einigen Bar herunterbringt."
Systeme verkleinern
Die Aufgabe war, bestehende Systeme dieser Art für die Raumfahrt bedeutend kleiner zu gestalten. "Unseren grundsätzlichen Ansatz kann man sich analog zur Entwicklung der Elektronik vorstellen. Früher hatte man Kondensatoren, Widerstände oder Dioden als einzelne Bauteile, die mit Drähten verbunden waren. Dann begann man, alle diese Komponenten in Leiterplatten zu integrieren, was die Systeme deutlich kleiner machte", führt Neubauer aus.
"Bei uns ist es ähnlich: Wir erzeugen ein Bauteil, in dem direkt die Kanäle integriert sind, wodurch keine Leitungen zwischen den Ventilen und Filtern erforderlich sind. Die Komponenten, die für die Druckregulierung nötig sind, können in ein kompaktes System verbaut werden – man könnte sagen, wir bauen Leiterplatten für die Hochdrucktechnik", erklärt er. Bei der Herstellung der 3D-Bauteile kommt eine spezielle Fügetechnik zum Einsatz, die beispielsweise auch für leistungsstarke Kühlkörper für die Elektronik genutzt wird.
Unzertrennliche Einheit
Das Grundprinzip dabei: Das Bauteil wird bei der Planung in einzelne Lagen von maximal wenigen Millimetern Stärke "zerschnitten". Diese werden einzeln produziert und schließlich in einem Hochtemperaturprozess zusammengefügt, sodass sie zu einer unzertrennlichen – und druckresistenten – Einheit werden. Nur unter dem Mikroskop ist nachvollziehbar, dass hier einzelne Lagen miteinander verbunden wurden.
Grundsätzlich sei diese Art der Fertigung, die die Integration von sehr feinen Kanälen ermöglicht, gut etabliert. "Wir haben die Fügetechnik aber für Weltraumanwendungen adaptiert, wo sehr hohe Anforderungen bestehen und etwa spezielle Bearbeitungsmethoden für die Oberflächen zum Einsatz kommen", resümiert Neubauer. Ein großer Vorteil der Technik sei zum Beispiel, dass man die Oberflächen der internen Kanäle gut reinigen kann. Beim 3D-Druck, wo Metallpulver durch Laser aufgeschmolzen wird, um die gewünschte Form zu erhalten, ist das etwa nicht der Fall.
Anwendung auf der Erde
Künftig sollen bei RHP Technology noch weitere Produkte für den Raumfahrtbereich folgen. "Wir sind dabei, die Fertigungstechnik auch für andere Funktions- und Strukturbauteile von Satelliten, wo nicht die Druckbelastung, sondern Leichtbau im Vordergrund steht, anzuwenden. Denkbar wären aber auch kleine Treibstofftank-Systeme", zählt Neubauer auf.
Bei den langen Vorlauf- und Qualifizierungszeiten bei Raumfahrttechnik wird es allerdings noch einige Zeit dauern, bis diese weiteren Bauteile tatsächlich im All ankommen. Abseits davon kommen auch Anwendungen auf der Erde durchaus infrage: "Auch Batteriespeicher und Ladestationen benötigen Hochleistungskühlmodule, die mit unserer Fügetechnik hergestellt werden können", gibt der AT-Space-Leiter ein Beispiel.
(Alois Pumhösel, 28.1.2023)