Werkstoffverträglichkeit mit flüssigem Sauerstoff

14 Februar 2023

Aufbau eines neuartigen, modularen LOX-Prüfstands zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus und der äußeren Einflüsse von Composite Materialen in flüssigem Sauerstoff an der Professur für Verbundwerkstoffe und Technischer Mechanik von Prof. Dr.-Ing. Tobias Dickhut für das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Prof. Dickhut wird innerhalb des nationalen Raumfahrtprogrammprojektes "MODULOX – Modularer LOX-Prüfstand" die Entwicklung eines Prüfstandes zur Materialverträglichkeit in flüssigen Sauerstoff für Raumfahrtanwendungen vorantreiben.

Ein Artikel von Philipp Marin, M. Sc. und Prof. Dr.-Ing. Tobias Dickhut

Für die Verbesserung von Raketen, wie zum Beispiel die Ariane 6, werden schon jetzt Überlegungen angestellt, die Oberstufe der Rakete durch Gewichtsreduzierung performanter zu gestalten. Dafür sollen unter anderem die metallischen cryogenen Sauerstoff- und Wasserstofftanks aus Faser-Kunststoff-Verbunden, genauer kohlenstoff-faserverstärktem Kunststoff (CFK) ausgeführt werden. Hierzu ist es von essentiellem Wert die Verträglichkeit von flüssigem Sauerstoff mit dem CFK zu kennen und bewerten zu können. Hierzu wird der modulare Prüfstand einen großen Beitrag leisten und die Mechanismen zwischen flüssigem Sauerstoff (-183 °C bzw. 90 K) und CFK beschreiben und erklären zu können.

Im Rahmen des Projekts wird ein neuer LOX-Prüfstand (Liquid Oxygen) an der UniBw M aufgebaut, der die vorherrschenden Einflussparameter auf die LOX-Kompatibilität von CFK-Materialien (Carbonfaserverstärkten Kunststoffe) anhand der vorgegebenen Norm identifiziert. Die Abläufe der LOX-Kompatibilitätsprüfungen sind in der Norm ASTM G86 definiert. Allerdings sind bisher unbekannte Einflussparameter und Reaktionsmechanismen für stark abweichende Ergebnisse der Untersuchungen verantwortlich. Zwar ist der Ablauf genaustens definiert, die Versuchsbedingungen sind es allerdings nicht. Ziel ist es einen Prüfstand aufzubauen, der mögliche Umwelteinflüsse und Einflussparameter auf den Reaktionsprozess aufzeichnet und somit ein erweitertes Verständnis über den Prüfprozess und Reaktionen des CFK-Materials mit LOX ermöglicht. Dadurch sollen in Zukunft reproduzierbare Versuchsabläufe definiert werden, um CFK-Materialien für den Einsatz in LOX-Tanksystemen für die Raumfahrt zuzulassen.

Der neue Aufbau des LOX-Prüfstandes wird modular gestaltet und mit umfangreicher Messtechnik versehen, um das Verständnis über den Reaktionsprozess einer CFK-Probe im flüssigen Sauerstoff zu erweitern. Gleichzeitig werden mithilfe des Prüfstands die Einflüsse der äußeren Bedingungen untersucht. So lassen sich langfristig vergleichbare und reproduzierbare Versuchsparameter schaffen.

^{Titelbild: © ESA – D. Ducros}