Die NASA hat zum ersten Mal erfolgreich eine 3D-gedruckte Raketentriebwerksdüse aus Aluminium getestet, als Teil eines Projekts, das darauf abzielt, die Herstellungskosten und das Triebwerksgewicht des Triebwerks zu senken. Raketentriebwerksdüsen müssen enormen Mengen an Hitze und Druck standhalten und müssen daher mit komplexen Verfahren und Tausenden von Teilen hergestellt werden. Mit dem neuen Triebwerk will die Raumfahrtbehörde die mit der Erforschung des Weltraums verbundenen Kosten senken und das Gewicht der Rakete reduzieren, damit sie mehr Nutzlasten transportieren kann.

Im Mai 2023 wurde die 3D-gedruckte Raketentriebwerksdüse RAMFIRE der NASA in einer Umgebung mit Temperaturen von bis zu 6.000 Grad Fahrenheit (etwa 3.300 Grad Celsius) getestet. Bild: NASA

Um eine 3D-gedruckte Raketentriebwerksdüse herzustellen, musste die NASA eine Aluminiumvariante entwickeln, die sowohl für die additive Fertigung geeignet war als auch den stressigen Arbeitsbedingungen eines Raketentriebwerks standhalten konnte. Die Triebwerksdüse ist eine der wichtigsten Komponenten einer Rakete und muss wie die Brennkammer der extremen Hitze standhalten, die durch die Verbrennung des Triebwerks und der Verbrennungsnebenprodukte entsteht.

Diese Triebwerksdüse besteht aus Aluminium A6061-RAM2 und ist Teil des RAMFIRE-Projekts (Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution) der NASA. Dieses Projekt widmet sich speziell der Entwicklung von 3D-gedruckten Raketentriebwerksdüsen, wobei der Schwerpunkt auf der Einführung von Designänderungen liegt, um eine Einfachheit und Kühlung der Rakete zu ermöglichen.

Die Düse eines Raketentriebwerks ist eine glockenförmige Komponente an der Unterseite, die typischerweise durch superkaltes Treibmittel gekühlt wird, das durch die Düse strömt. Dies wird erreicht, indem Kanäle in die Innenwand der Düse eingearbeitet werden, die dann zurück in die Brennkammer des Triebwerks fließen und dort Schub erzeugen. Diese Kanäle erfordern Hunderte oder sogar Tausende einzelner Komponenten, was natürlich den Herstellungsprozess verkompliziert und Kosten und Gewicht erhöht.

Die NASA hat außerdem einen 3D-gedruckten Testtank aus dem gleichen Material wie die Raketentriebwerksdüse erstellt. Durch den Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung der Triebwerksdüse können die NASA und ihr RAMFIRE-Projektentwicklungs- und Fertigungspartner RPM Innovation die Raketentriebwerksdüse aus einem einzigen Stück herstellen. Dies senkt die Kosten erheblich, vereinfacht den Engineering-Prozess und macht die Düse gleichzeitig leichter. All dies sind enorme Vorteile, insbesondere da das Gewicht eine der größten Einschränkungen von Raketen darstellt. Ingenieure müssen Gewicht, Treibstoff und Nutzlast der Rakete sorgfältig ausbalancieren, um sicherzustellen, dass sie beim Start tatsächlich abheben kann.

Die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde (NASA) geht davon aus, dass Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung von Raketentriebwerksteilen es ihr ermöglichen werden, mehr Nutzlasten zu transportieren, insbesondere bei interstellaren Missionen. Für RAMFIRE-3D-gedruckte Raketentriebwerksdüsen hat die NASA 22 Tests erfolgreich durchgeführt, mit einer Gesamttestzeit von 579 Sekunden oder etwa 10 Minuten und Testtemperaturen von bis zu 6.000 Grad Fahrenheit.

Darüber hinaus bauten die NASA und RPM Innovation eine Aerosoldüse und einen kryogenen Flüssigkeitstank. Das Aluminium für diese Teile wurde in Zusammenarbeit mit Elementum3D hergestellt. Die additive Fertigung für die Raketenfertigung ist ein relativ neues Feld, und das in Long Beach, Kalifornien, ansässige Raketenunternehmen RelativitySpace hat damit begonnen, 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Treibstofftanks, Motoren und anderen Teilen einzusetzen.