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TRACE – „TRAnspiration Cooling Experiment“ – ist ein Projekt, das die Transpirationskühlungstechnologie für Hitzeschilde erforscht. Ziel ist es, die Wärmeabfuhr beim Wiedereintritt in die Atmosphäre bei Geschwindigkeiten von bis zu Mach 3,2 zu untersuchen. Mit diesem Experiment möchten wir aufzeigen, wie Transpirationskühlung als wiederverwendbare Alternative zu herkömmlichen Hitzeschilden genutzt werden kann, um Kosten und Materialaufwand in der Raumfahrt zu reduzieren.
Das Potenzial der Transpirationskühlung
Hitzeschilde sind für Raumfahrzeuge unverzichtbar, die sicher auf die Erde zurückkehren oder auf anderen Planeten landen sollen. Herkömmliche Schutzsysteme sind jedoch oft wartungsintensiv oder nur einmal einsetzbar, was sie in einer Ära der nachhaltigen Raumfahrt limitiert.
Die Transpirationskühlung bietet eine vielversprechende Alternative: Gas wird durch die Oberfläche des Raumfahrzeugs geleitet, wodurch eine schützende Schicht entsteht, die die extremen Temperaturen des Wiedereintritts abmildert. Diese Technologie hat das Potenzial, die Effizienz und Wiederverwendbarkeit thermischer Schutzsysteme grundlegend zu verändern.
Von der Idee zur Realität: Die Reise von TRACE
Das Konzept von TRACE entstand aus einer Bachelorarbeit, die in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde. Diese Arbeit untersuchte die Machbarkeit eines Transpirationskühlungssystems für Wiedereintrittsanwendungen an einer REXUS-Rakete. Wir haben diese ersten Ideen weiterentwickelt, spezifische Experimentziele definiert und theoretische Entwürfe in praktische, testfähige Komponenten umgesetzt.
Die Entwicklung von TRACE brachte zahlreiche technische Herausforderungen mit sich:
- Miniaturisierung: Alle Systeme mussten in eine kompakte Kapsel integriert werden, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.
- Fallschirmauslösung: Tests und Optimierung der stabilen Entfaltung des Hochgeschwindigkeitsfallschirms bei Überschallgeschwindigkeiten.
- Aerodynamik: Optimierung der Kapselgeometrie zur Minimierung des Luftwiderstands und zur Sicherstellung einer stabilen Flugbahn.
- Produktionsverzögerungen: Anpassung der Zeitpläne und Konzentration auf andere Projektbereiche, um unvermeidliche Verzögerungen zu bewältigen.
Was TRACE so einzigartig macht
TRACE integriert mehrere fortschrittliche technische Features, um die extremen Anforderungen des Wiedereintrittstests zu erfüllen. Die Kapsel erreicht Geschwindigkeiten von bis zu Mach 3, wodurch unter dichten atmosphärischen Bedingungen extreme Hitze erzeugt wird, um das Kühlsystem gründlich zu testen. Ein hoher ballistischer Koeffizient sorgt für Stabilität und eine gleichmäßige Abstiegsgeschwindigkeit.
Im Zentrum der Innovation steht ein Transpirationskühlsystem, das Argon-Gas verwendet, um die hitzeexponierten Oberflächen zu schützen und die Struktur vor extremen thermischen Belastungen zu bewahren. Ergänzt wird dies durch einen Überschallfallschirm, der bei Mach 2 in etwa 10 km Höhe ausgelöst wird und eine kontrollierte Abstiegsphase sowie eine zuverlässige Datenerfassung während des Wiedereintritts ermöglicht.
TRACE ist eines der ersten Inflight-Experimente zur Transpirationskühlung von Hitzeschilden und stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung wiederverwendbarer thermischer Schutzsysteme für Hochgeschwindigkeitswiedereintritt dar. Die kompakte, bohnenförmige Druckkapsel, gefertigt durch Metall-3D-Druck mit Titan Grade 5 (Ti6Al4V), demonstriert die Präzision und Vielseitigkeit moderner 3D-Drucktechnologien bei der Herstellung komplexer Strukturen.
Zudem gewährleistet der bei Mach 2 ausgelöste Überschallfallschirm eine sichere Abstiegsphase und eine konstante Datenübertragung auch unter extremen Bedingungen.
Erfahrungen und Ratschläge für zukünftige Raumfahrtinnovatoren
Wir sind stolz auf die technische Präzision und das Engagement, die in den erfolgreichen Start von TRACE im März 2024 vom schwedischen Raumhafen Esrange geflossen sind. Dieses Projekt erforderte nicht nur technisches Know-how, sondern auch Durchhaltevermögen und gegenseitige Unterstützung bei Rückschlägen, was unser Team gestärkt hat. Diese gemeinsamen Anstrengungen zählen zu unseren größten Errungenschaften.
Mit Blick auf die Zukunft freuen wir uns auf TRACER, eine Weiterentwicklung des TRACE-Projekts. TRACER wird direkt in die Rakete integriert, wodurch wir verschiedene Kühlmedien untersuchen und die Systemzugänglichkeit verbessern können. Mit einem Fokus auf Vereinfachung soll TRACER den Bauprozess optimieren und Innovationen in thermischen Schutzsystemen fördern.
Unser wichtigster Rat für ähnliche Projekte: Testet und iteriert so früh wie möglich. Schnelles Prototyping liefert wertvolles Feedback, um Probleme zu identifizieren und das Design effizient zu optimieren. Behaltet eine agile Denkweise bei, bleibt flexibel und passt euch den Testergebnissen an. Diese iterative Herangehensweise ist entscheidend für den Erfolg jedes ambitionierten Projekts.
Erfahren Sie mehr über das TRACE-Projekt und das Space Team Aachen.
Haben Sie an Lösungen für Raumfahrtsysteme gearbeitet, von Wärmemanagement bis hin zu Antrieb oder Materialtechnik? Teilen Sie Ihre Einblicke in die Entwicklung der nächsten Generation wiederverwendbarer und effizienter Raumfahrtsysteme!
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