Das Projekt Cassandra (eine Abkürzung für «Composite Autonomous SenSing AnD RepAir») umfasst Sensoren und ein Heizelement in einem Verbundwerkstoff aus Kohlefaser, wodurch Raumfahrzeuge erste Schäden selbstständig reparieren können. Cassandra ist Teil der Initiative «Future Innovation Research in Space Transportation» (FIRST!) der ESA, die innovative Technologien zum Nutzen des europäischen Raumtransports erforscht und testet.
Anfälliges Material
Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere werden zunehmend in Raumfahrzeugstrukturen verwendet. Sie bestehen aus einer Polymermatrix, die mit Schichten aus Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt ist. Dadurch entsteht ein starkes und leichtes Material, das korrosionsbeständig ist. Verbundwerkstoffe sind jedoch auch anfällig für Beschädigungen – insbesondere, wenn sie wiederholt ins All fliegen und zurückkehren – und kleine Risse können sich mit der Zeit verschlimmern. Reparaturen können teuer und zeitaufwendig sein und die strukturelle Integrität beeinträchtigen. Vor diesem Hintergrund hat CompPair «HealTech» entwickelt, einen Verbundwerkstoff, der sich selbst reparieren kann. Durch Erhitzen des Materials wird ein darin enthaltenes Reparaturmittel aktiviert, das wieder fliesst und Schäden durch Stösse oder Belastungen repariert.
Glasfasersensor-Netzwerk erkennt schäden
Ein Prototyp der Verbundstruktur wurde durch die Integration eines Netzwerks aus Glasfasersensoren in die mit Harz getränkten Fasern von HealTech erstellt. Die Sensoren lokalisieren jegliche Schäden an der Struktur. Sobald ein Schaden entdeckt wird, wird das Material durch integrierte 3D-gedruckte Aluminiumgitter auf 100–140 °C erhitzt. Verschiedene Materialproben mit einer Grösse von 2 x 10 cm bis 40 x 40 cm wurden getestet. Die Tests konzentrierten sich auf die Wirksamkeit der Schadensüberwachung, die homogene Erwärmung und die Selbstreparaturfähigkeiten des Materials. Zusätzlich wurden Thermoschocktests durchgeführt, um die Reaktion des Materials auf die typischen Bedingungen eines Kryotanks zu überwachen. In der nächsten Testphase wird das Material an eine grössere Form angepasst, beispielsweise an einen kompletten Kryotank.
Könnte Weltraumschrott reduzieren
Dieses Material könnte den Abfall aus Weltraummissionen reduzieren und wäre ideal für wiederverwendbare Trägerraketen. «Die Implementierung dieser Technologie in unsere Systeme könnte enorme Vorteile für den Weltraumtransport mit sich bringen», sagt Bernard Decotignie von der ESA. «Sie wird zur Entwicklung einer wiederverwendbaren Weltrauminfrastruktur beitragen und die Missionskosten senken. Dies beweist wirklich, was europäische Innovationen für den Weltraumsektor leisten können.» Cecilia Scazzoli, Leiterin der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei CompPair ist begeistert, dass es dem Unternehmen gelungen ist, HealTech-Verbundwerkstoffe mit Zustandsüberwachungs- und Heizsystemen eine autonome Schadenserkennung und -heilung sowie eine hohe Beständigkeit gegen Mikrorisse aufweisen. «Dadurch eignen sie sich für die hohen Anforderungen von Treibstofftanks und wiederverwendbaren Weltraumstrukturen und ebnen den Weg für leichtere, wartungsfreundlichere Raumfahrzeugkomponenten.»
