Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTAdditiv gefertigte Stützstrukturen für Ferrofluid-Experimente auf der ISS
An Bord des Weltraumtransporters SpaceX SPX27, der am 15. März 2023 (CET) zur Internationalen Raumstation (ISS) fliegt, befinden sich unter anderem drei Experimente zum Thema Ferrofluide der studentischen Kleinsatellitengruppe KSat e.V. der Universität Stuttgart. Gehalten wird der Versuchsaufbau von superleichten und extrem stabilen Strukturbauteilen, die im Fraunhofer IPT additiv gefertigt wurden.
Ferrofluide verlängern die Lebensdauer von mechanischen Baugruppen
Mechanische Bauteile wie Kugellager, Kolben oder Pumpen haben eine begrenzte Lebensdauer: Sie verschleißen mit der Zeit und müssen dann erneuert werden. Für Raumfahrtingenieure stellen Verschleißteile ein großes Problem dar, denn im Weltraum lassen sie sich nicht einfach austauschen. Ginge ein solches Bauteil beispielsweise am James-Webb-Weltraumteleskop kaputt, das seit Ende 2021 um die Erde kreist, wäre der Erfolg der 10 Milliarden US-Dollar teuren Mission in Gefahr. Eine aussichtsreiche Lösung, um mechanischen Bauteile langlebiger zu machen, sind superparamagnetische Flüssigkeiten, sogenannten Ferrofluide.
Mit ihren Experimenten möchten die Stuttgarter Nachwuchsforscherinnen und -forscher von KSat in der Schwerelosigkeit testen, inwiefern sich mechanische Bauteile durch den Einsatz von Ferrofluiden optimieren lassen. So wird ein mit Ferrofluid gelagertes Lageregelungssystem erprobt mit dem längerfristigen Ziel, Kugellager durch Ferrofluide komplett zu ersetzen. Bei den anderen beiden Experimenten handelt es sich um einen thermischen Schalter, der die Übertragung von Wärme regelt, sowie einen elektrischen Schalter, der einen Stromkreis öffnet und schließt.
Hohe Anforderungen an Stützstrukturen für Experimentaufbau
Die drei Experimente befinden sich auf nur 10x20 Zentimeter großen Aluminiumplatten, die mit Gewindestangen im Boden verschraubt sind. Um die Konstruktion zu stabilisieren, waren zusätzlich besondere Stützstrukturen notwendig. Das Studierendenteam wandte sich an das Fraunhofer IPT mit der Bitte, vier solcher Strukturbauteile für den Versuchsaufbau zu designen und zu fertigen.
Die Anforderungen waren hoch: Die Strukturbauteile mussten enorm stabil sein, um den Versuchsaufbau gegen die starken Vibrationen während des Flugs – besonders während der Start- und Wiedereintrittsphase – zu schützen und um ein Verschieben der Experimentebenen zu verhindern. Gleichzeitig mussten sie besonders leicht sein, insgesamt unter 400 Gramm. Darüber hinaus sollten die Teile möglichst offen gestaltet werden, um die Luftzirkulation zur Kühlung der Experimente zu gewährleisten.
Additiv gefertigte Strukturbauteile deutlich besser als die Vorgaben
Das Team des Fraunhofer IPT fertigte die Strukturbauteile aus einem rostfreien Stahl mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Das Verfahren bot sich an, da das in Aachen entwickelte Bauteildesign offene Bereiche für die Luftzirkulation sowie Hohlstrukturen zur Gewichtsreduktion vorsah. Durch den schichtweisen additiven Aufbau im LPBF-Verfahren konnte das Bauteildesign unkompliziert und schnell realisiert werden.
Die Strategie des Fraunhofer-Teams ging auf: Nur 141 Gramm bringen die Stützstrukturen insgesamt auf die Waage. Damit bleibt das Team des Fraunhofer IPT deutlich unterhalb der Vorgaben. Trotz des enorm geringen Gewichts bestanden die Bauteile den anschließenden »Rütteltest« zur Prüfung der Stabilität beim Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln.