Schnelles Internet, Kommunikation oder Navigation – Satellitendaten machen das Leben auf der Erde nicht nur einfacher. Raumfahrtbasierte Daten und Technologien können auch ein Instrument sein, um die globalen Herausforderungen unserer Zeit zu bewältigen. So spielt Erdbeobachtung aus dem All eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels oder der nachhaltigen Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Flächen, zum Beispiel beim „Smart Farming“. Daneben gibt es zahlreiche Innovationsprojekte in der Luft- und Raumfahrttechnik, um auch die Raumfahrt selbst nachhaltiger zu gestalten, etwa zur Nutzung umweltverträglicher Treibstoffe.
Ein solcher neuartiger Treibstoff ist PROPULSE von der Business Line Active Oxygens bei Evonik. Das unter diesem Namen vertriebene hochkonzentrierte Wasserstoffperoxid (H2O2) wird unter anderem für den Start von Weltraumraketen und künftig auch für die Navigation von Satelliten verwendet.
Anders als bei traditionellen Treibstoffen entstehen bei seinem Zersetzungsprozess keinerlei schädliche Stoffe für Mensch und Natur, sondern lediglich Wasser, Sauerstoff und viel Energie. Der freigesetzte Sauerstoff kann nachgelagert mit organischem Material weiter reagieren und so zusätzliche Energie erzeugen. Diesen Vorteil nutzt man in Hybridraketen, bei denen der Sauerstoff mit festen Brennstoffen auf Basis von Polymeren reagiert.
EU-Projekt „ENVOL“ arbeitet an Hybridraketen-System
So ist es naheliegend, dass sich Evonik auch bei der Entwicklung nachhaltiger Raketenantriebe engagiert und mit seiner Erfahrung in diesem Bereich an großen Forschungsprojekten beteiligt. Etwa beim von der Europäischen Kommission geförderten Horizon-2020-Projekt HYPROGEO (Hybrid Propulsion Module for transfer to GEO). Das bereits abgeschlossene Projekt widmete sich dem Bau eines Hybridraketentriebwerks, das 98-prozentiges Wasserstoffperoxid als Treibmittel nutzt. Lösungen mit derart hohen Konzentrationen enthalten so gut wie kein Wasser mehr: Weniger Ballast auf dem Weg ins All bedeutet weniger Energieverbrauch, weniger Ressourcenverschwendung und geringere Kosten.
Derzeit wirkt die Business Line Active Oxygens bei einem zweiten EU-Projekt namens ENVOL (European News Pace Vertical Orbital Launcher) mit. Neun private Unternehmen aus sieben europäischen Ländern bilden hier ein Konsortium, das vom Evonik-Partner Nammo Raufoss AS aus Norwegen geleitet wird. Ziel ist es, ein umweltfreundliches und zuverlässiges Hybridraketen-System für den europäischen Raumfahrtmarkt zu entwickeln, das Kleinsatelliten bis 500 Kilogramm ins All befördern kann. Der Treibstoff ist – natürlich – PROPULSE.
Aus jahrzehntelanger Erfahrung wissen die Expertinnen und Experten bei Evonik Active Oxygens, wie Wasserstoffperoxid zu handhaben und zu lagern ist. Genau diese Expertise bringen sie in das ENVOL-Team ein. „Wir führen unter anderem Materialverträglichkeitstests in unseren Laboren in Deutschland durch“, erklärt Sandro Bergmann vom Anwendungstechnik-Team der Business Line. Die Raketenstarts sollen vom Andøya Space Port in Norwegen erfolgen.
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„Für Trägerraketen und den Weltraumtransport in eine niedrige Umlaufbahn ist das Potenzial von Wasserstoffperoxid groß“, sagt Kristian Lium, Vice President bei Nammo Raufoss Space. „Es ist die einzige wirklich nachhaltige Alternative, die heute zur Verfügung steht, die erschwinglich und seit Jahrzehnten technologisch bewährt ist. Für unsere Raketen vertrauen wir auf PROPULSE von Evonik.“
DLR nutzt H2O2 bei Entwicklung von hybriden Raketentriebwerken
Ähnlich sieht das Stefan May, Versuchsleiter beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR): „Bei der Entwicklung unserer Hybridraketentriebwerke setzten wir auf Wasserstoffperoxid als Oxidator“, sagt May. „Bereits zu Beginn unserer Forschungsarbeiten erkannten wir die Vorteile, die Wasserstoffperoxid im Vergleich zu bis dahin herkömmlichen Sauerstofflieferanten bietet: nicht-kryogen, ungiftig, lagerfähig und potenziell hochenergetisch“, erklärt der Experte für Feststoff- und Hybridraketentreibwerke.
Kryogene Flüssigkeiten, wie Helium, Wasserstoff oder Sauerstoff, sind Stoffe, die unter atmosphärischem Druck nur bei sehr kalten Temperaturen flüssig sind. Sie erfordern bei ihrer Herstellung, Lagerung und dem Handling großen technischen und energetischen Aufwand. „Wasserstoffperoxid ermöglicht damit einen deutlich sichereren Versuchsbetrieb bei stark reduzierten Umweltschutzanforderungen. Dies schlägt sich auch bei den Entwicklungs- und Betriebskosten derartiger Triebwerke nieder.“
Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik arbeitet seit mehr als fünfzehn Jahren an der Entwicklung von effizienten Raketenantriebssystemen und verwendet bei seinen Experimenten auf dem DLR-Testgelände in Trauen in der Lüneburger Heide PROPULSE von Evonik. „Evonik hat uns bei unserer Forschung von Anfang an mit der Lieferung von PROPULSE, aber auch mit der Expertise im Umgang mit und der Lagerung von Wasserstoffperoxid unterstützt“, so May. In den nächsten Jahren plant das Institut – unter anderem unterstützt vom Kompetenzzentrums für Reaktionsschnelle Satellitenverbringung – die auf PROPULSE basierende Technologie für Hybridraketentriebwerke als Beitrag zur Green Rocketry bis zur Flugtauglichkeit weiterzuentwickeln.
„New Space“: Dynamik im Weltraummarkt
Und auch andere Akteure der Raumfahrtindustrie vertrauen auf den umweltverträglichen Treibstoff. Denn der Markt ist im Umbruch: Unter dem Stichwort „New Space“ drängen immer mehr private Raumfahrtunternehmen und Start-ups auf den Markt, der bisher geprägt war von großen staatlichen Organisationen wie der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) oder der European Space Agency (ESA).
Und das schafft den idealen Nährboden für PROPULSE: „Zahlreiche Start-ups auf der ganzen Welt nutzen bereits unser PROPULSE als umweltverträglichen Treibstoff in ihren neuesten Raketengenerationen“, berichtet Sandro Bergmann. „Damit sind die neuen Unternehmen, die jetzt auf den Markt kommen, maßgeblich für Entwicklung einer fortgeschrittenen Raketentechnologie.“ Bisherige Technologien werden unter Wettbewerbsbedingungen optimiert, um in allen Prozessen nachhaltiger, ergiebiger und damit auch kostengünstiger zu werden.
Sorgsamer Einsatz von Ressourcen macht Raumfahrt nachhaltiger
So wird beispielsweise daran geforscht, Raketen oder einzelne Komponenten wiederzuverwenden; weitere Ansätze zur Kostensenkung und Ressourceneffizienz sind auch der Einsatz von Standardbauteilen, Serienfertigung und Miniaturisierung, wie das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Bundestag in der Studie „New Space – neue Dynamik in der Raumfahrt“ vom Oktober 2020 schreibt. Längst arbeiten staatliche Weltraumagenturen mit den innovativen privaten Akteuren zusammen: Für viele New-Space-Unternehmen sind NASA und ESA – auch aufgrund gelockerter Regularien bei der Auftragsvergabe – wichtige Kunden.
„Kommerzielle Akteure sorgen mit der Entwicklung neuer Technologien und Geschäftsmodelle für eine Innovationsdynamik in der Raumfahrt“, heißt es in der Untersuchung. New-Space-Unternehmen agierten „einerseits in den angestammten Geschäftsfeldern der traditionellen Raumfahrtindustrie, z.B. Kommunikation, Navigation und Erdbeobachtung, erschließen andererseits aber völlig neue Tätigkeitsfelder.“ Darunter zum Beispiel die private bemannte Raumfahrt oder sogar „die Erschließung neuer Weltraumhabitate“.
Auch aufgrund von Sicherheitsbedenken und immer schärferen Regularien wächst die Nachfrage nach umweltverträglichen und sicheren Treibstoffen. Diese Dynamik zwingt zu einer Neuausrichtung des Marktes. Für Trägerraketenanwendungen und Raumtransporte in eine niedrige Umlaufbahn sei das Potenzial von Wasserstoffperoxid daher groß.
Evonik Active Oxygens: komplettes Lösungspaket
Mit der Belieferung der Unternehmen mit Wasserstoffperoxid ist es für Evonik Active Oxygens aber nicht getan, denn das Thema ist komplex. So Sandro Bergmann: „Es gibt jede Menge Technologien, Antriebsmöglichkeiten und unterschiedliche Raketengrößen. Unser PROPULSE muss jeweils individuell auf die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zugeschnitten werden.“ Daher bietet Evonik Active Oxygens seinen Kunden nicht allein das Produkt an, sondern ein ganzes Lösungspaket.
Die H2O2-Expertinnen und ‑experten haben bereits viele Start-ups von Anfang an begleitet, vor Ort besucht und beraten. Sie unterstützen nicht nur bei Verpackung und Transport, sondern auch bei Logistik und technischem Support. Von den ersten Gesprächen, Labortests, hin zu ersten Lieferungen für Triebwerktests und Raketenstarts stehen sie den Firmen zur Seite. „Am liebsten“, sagt Bergmann, „wären wir immer dabei, wenn mal wieder die Erde bebt und eine Rakete ins All startet“.