Forscher wollen gefährliche Startvibrationen schon im Nutzlastadapter abfangen

Beim Start einer Rakete sind nicht nur Beschleunigungskräfte ein Problem. Für empfindliche Satelliteninstrumente können die Vibrationen noch gefährlicher sein. Schweizer Forscher wollen sie deshalb schon dort abfangen, wo Rakete und Satellit verbunden sind.

Ein Satellit muss beim Start einiges aushalten. Die Rakete beschleunigt mit enormer Kraft, gleichzeitig wird ihre Struktur in Schwingung versetzt. Besonders kritisch sind die Momente, in denen sich Raketenstufen voneinander trennen. Dann können mechanische Schwingungen bis zu den empfindlichen Instrumenten der Nutzlast gelangen.

Forscher der Empa und Ingenieure des Schweizer Raumfahrtunternehmens Beyond Gravity setzen deshalb nicht beim Satelliten an, sondern bei seinem Verbindungsstück zur Rakete. Der sogenannte Nutzlastadapter soll die Schwingungen nicht einfach weiterleiten. Er soll bestimmte Frequenzen gezielt herausfiltern.

Dafür greifen die Forscher auf ein Prinzip aus der Akustik zurück. Sie machen den Adapter zu einer Art „phononischem Kristall“. Solche Strukturen sind so aufgebaut, dass sich mechanische Wellen nicht in beliebiger Weise durch sie hindurchbewegen können. Je nach Frequenz werden die Schwingungen weitergeleitet, reflektiert oder gestreut.

Vielversprechender Prototyp: Der Mini-PAS, den die Empa-Forschenden auf der Basis eines phononischen Kristalls entwickelt haben, zeigte bei Versuchen gute Eigenschaften bei der Dämpfung von schädlichen Schwingungen. — © Empa

Das Besondere an der Schweizer Konstruktion: Sie kommt ohne zusätzliche klassische Dämpfer aus. Der Adapter selbst übernimmt die Aufgabe.

Er besteht aus einem Kegelstumpf aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. In die Struktur sind Ringe aus Aluminium integriert. Die Kohlefasern werden dabei so ausgerichtet, dass sich die Ringe bei einer Belastung geringfügig drehen können.

Trifft eine Längsschwingung auf den Adapter, wird ein Teil der Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt. Auf diese Weise wird die Schwingung abgeschwächt. Besonders interessant ist das für tiefe Frequenzen, die sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer beherrschen lassen.

Das klingt nach einem kleinen Detail. Für die Raumfahrt ist es das nicht. Ein Nutzlastadapter muss gleichzeitig leicht, steif und stabil sein. Zusätzliche Dämpfungselemente können zwar Vibrationen reduzieren, bringen aber Gewicht und zusätzliche Bauteile mit sich. Beides ist bei einer Rakete unerwünscht.

Die Schweizer Konstruktion versucht, dieses Problem anders zu lösen: Nicht ein zusätzliches Bauteil soll die Schwingungen aufnehmen, sondern die tragende Struktur soll sich selbst so verhalten, dass bestimmte Schwingungen gar nicht erst ungedämpft zur Nutzlast gelangen.

Auch bei der Herstellung könnte das Konzept einen Vorteil haben. Phononische Strukturen lassen sich zwar mit komplexen Geometrien herstellen, etwa im 3-D-Druck. Für die Raumfahrt ist eine solche Fertigung aber nicht unbedingt der einfachste Weg. Die neue Konstruktion lässt sich dagegen mit Verfahren und Materialien realisieren, die in der Raumfahrtindustrie bereits etabliert sind. Das ist ein wichtiger Unterschied zwischen einem physikalisch interessanten Modell und einem Bauteil, das tatsächlich in einer Rakete eingesetzt werden könnte.

Noch ist es allerdings nicht so weit. Die Entwicklung befindet sich im Forschungs- und Erprobungsstadium. Die Konstruktion muss weiter optimiert werden; Beyond Gravity hat die Erfindung zum Patent angemeldet. Unterstützt wurde das Projekt von Innosuisse.

Für Andrea Bergamini von der Empa geht es um mehr als darum, einen einzelnen Raketenstart etwas ruhiger zu machen. Wenn sich die Belastungen beim Start besser kontrollieren lassen, könnten künftig empfindlichere Messinstrumente eingesetzt werden. Denkbar wäre auch, Schutzstrukturen leichter auszulegen und dadurch Gewicht einzusparen.

Damit passt die Entwicklung zu einer Spezialität der Schweizer Raumfahrtindustrie: Sie sitzt häufig nicht am Steuer einer Rakete, sondern liefert Komponenten, auf deren Zuverlässigkeit das Gesamtsystem angewiesen ist. Beyond Gravity, früher Teil der RUAG, ist seit Jahren an europäischen Raumfahrtprogrammen beteiligt und liefert unter anderem Komponenten für die Ariane 6.

Ob der neue Adapter eines Tages selbst auf einer Ariane 6 fliegen wird, ist allerdings noch offen. Zwischen einem erfolgreichen Experiment und einem zugelassenen Raumfahrtbauteil liegen zahlreiche weitere Tests. Ein Bauteil muss nicht nur seine Funktion erfüllen. Es muss auch die Belastungen eines realen Starts überstehen, zuverlässig reproduzierbar gefertigt werden können und die strengen Anforderungen der Raumfahrt erfüllen.

Genau darin liegt der nächste Schritt für die Schweizer Forscher. Die Physik ist das eine. Jetzt muss sich zeigen, ob sie sich in ein Bauteil übersetzen lässt, das eine Rakete tatsächlich mit ins All nehmen kann.

Die Idee dahinter ist bemerkenswert schlicht: Die Vibration soll nicht mit immer mehr Material bekämpft werden. Die Struktur selbst soll dafür sorgen, dass sie dort, wo sie stört, gar nicht erst ankommt.