NASA testet neue Kupplung für Betankung im Erdorbit

NASA und L3Harris haben erste Tests einer neuen Kupplung für das automatisierte Betanken von Raumfahrzeugen mit kryogenem Treibstoff im Erdorbit durchgeführt. Die sogenannten Cryocoupler sollen künftig den Andockvorgang an orbitale Treibstoffdepots ermöglichen und gelten als Schlüsseltechnologie für künftige Tiefraummissionen.

Symbolbild: NASA/Photo courtesy SpaceX

Die US-Raumfahrtbehörde NASA hat gemeinsam mit dem Unternehmen L3Harris eine neue Kupplung für das Betanken von Raumfahrzeugen im Erdorbit getestet. Diese sogenannten Cryocoupler sollen es künftigen Missionen ermöglichen, vor dem Aufbruch in die Tiefen des Sonnensystems im Orbit aufzutanken. Am NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, wurden in den vergangenen Wochen erste Tests zur grundsätzlichen Funktionsfähigkeit der Technologie durchgeführt.

Tankstellen im All

Für die nächste Generation von Tiefraummissionen plant die NASA, Raumfahrzeuge künftig in der Erdumlaufbahn betanken zu lassen, bevor sie weiter ins Sonnensystem aufbrechen. Ähnlich wie eine Zapfsäule eine passende Düse für den Tank benötigt, brauchen auch Raumfahrzeuge ein spezielles Verbindungsstück, um sich an künftigen orbitalen Treibstoffdepots andocken zu können. Diese Depots sollen perspektivisch als eine Art Tankstellen im Weltraum dienen.

Die größte Herausforderung dabei ist der zuverlässige Transfer kryogener, also extrem kalter, Treibstoffe, ohne dass dabei Treibstoff verloren geht oder die Leistung leidet. Treibstoffe wie flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff müssen bei Temperaturen von mehreren Hundert Grad unter null Grad Fahrenheit gehalten werden, was hohe Anforderungen an Materialien, Dichtungen und Mechanismen stellt. Travis Belcher, Projektleiter für Cryocoupler am NASA Marshall Space Flight Center, betonte, dass die kryogene Betankung zwischen zwei Raumfahrzeugen im Orbit bislang noch nie durchgeführt wurde und zu den größten technischen Herausforderungen der Raumfahrt zählt. Solche Treibstofftransfers seien jedoch essenziell für künftige NASA-Missionen, weshalb die Entwicklung einer entsprechenden Kupplung ein wichtiger Schritt sei.

Am Boden eingesetzte Kupplungen, wie sie etwa beim Betanken der SLS-Rakete (Space Launch System) für Artemis-Missionen verwendet werden, eignen sich für den Einsatz im Orbit nicht. Sie lösen sich beim Start schnell und müssen für den nächsten Flug manuell wieder verbunden werden. Zudem sind sie weder für die rauen Bedingungen im All ausgelegt noch in ihrer Größe für das Betanken eines umlaufenden Raumfahrzeugs geeignet. Die neuen Cryocoupler hingegen sollen sich laut Belcher mehrfach automatisiert an- und abkoppeln lassen, sodass Astronautinnen und Astronauten für den Treibstofftransfer keinen Weltraumspaziergang mehr durchführen müssen.

Zwei Testreihen am Boden

Um diese Funktionsfähigkeit zu überprüfen, führte ein gemeinsames Team aus NASA und L3Harris kürzlich zwei unterschiedliche Testreihen am Marshall Space Flight Center durch. Im ersten Test wurde flüssiger Stickstoff bei minus 321 Grad Fahrenheit durch mehrere verbundene und getrennte Konfigurationen der Kupplung geleitet. Damit sollte beobachtet werden, wie sich das Bauteil unter thermischer Kontraktion, beim Durchfluss und bei deutlichen Temperaturunterschieden zwischen Treibstoff und Material verhält.
In einer zweiten Testreihe wurde die Leistungsgrenze des Cryocouplers unter Betriebsbedingungen ermittelt. Dabei war eine Hälfte der Kupplung auf einem robotergesteuerten Tisch montiert, der sich in alle Richtungen bewegen und drehen ließ, während die zweite Hälfte fest darüber positioniert blieb. So sollte ein nicht perfekt ausgerichtetes Andockmanöver simuliert werden, wie es in der Praxis zwischen Raumfahrzeug und Treibstoffdepot vorkommen kann. Die Kupplung ist konstruktionsbedingt darauf ausgelegt, gewisse Abweichungen bei der Ausrichtung auszugleichen.

Belcher wies darauf hin, dass sich die Entwicklung der Cryocoupler noch in einem frühen Stadium befinde und sich die bisherigen Tests vor allem auf die grundlegende Funktionsfähigkeit konzentrierten. Künftige Testreihen sollen die Kupplungen gezielt für einzelne Missionen auslegen und detaillierter anhand der jeweiligen Missionsanforderungen prüfen. Die Tests fanden im Rahmen einer 2022 veröffentlichten Announcement of Collaboration Opportunity statt, einer Partnerschaft, bei der NASA-Zentren ausgewählten Unternehmen kostenlos Fachwissen, Einrichtungen sowie Hard- und Software zur Verfügung stellen.

Quelle (Englisch): https://www.nasa.gov/directorates/stmd/tech-demo-missions-program/cryogenic-fluid-management-cfm/nasa-tests-new-refuel-device-for-future-in-space-refueling-missions/