Wie sehen die Hitzeschilde der Zukunft aus?
In der Raumfahrt gewinnen innovative Hitzeschilde zunehmend an Bedeutung, da sie entscheidend für die sichere Rückkehr von Raumfahrzeugen zur Erde sind. Das britische Unternehmen IDTechEx hat einen Bericht vorgelegt, in dem sie verschiedene Ansätze für Hitzeschilde darstellen. Neben den bisher viel genutzten Keramikkacheln wird auch an aufblasbaren Systemen und sogenannten Ablatoren geforscht, die durch neue Materialien und Bauweisen effizienter und günstiger sein könnten.
Bild: NASA/Alex Gerst
Die Rückkehr von Raumfahrzeugen zur Erde stellt eine enorme technische Herausforderung dar, denn beim Wiedereintritt in die Atmosphäre entstehen extreme Temperaturen. Während die Außenhaut eines Fahrzeugs bei rund 1600 °C liegen kann, war die Galileo-Sonde auf ihrem Weg durch Jupiters Atmosphäre sogar über 16.000 °C ausgesetzt. Um solche Hitze zu überstehen, sind spezielle Schutzsysteme notwendig – sogenannte Hitzeschilde. Ein aktueller Bericht des britischen Unternehmens IDTechEx analysiert, welche Lösungen derzeit im Einsatz sind, welche Schwächen sie haben und wie neue Technologien diese Probleme überwinden könnten.
Warum Hitzeschilde so entscheidend sind
Hitzeschilde sind dafür zuständig, die enorme Wärme abzuleiten, die durch Reibung beim Wiedereintritt in eine Atmosphäre entsteht. Ohne sie würde ein Raumfahrzeug schlichtweg verglühen. Die Nachfrage nach Rückführungen aus dem Weltraum – sei es für Astronautinnen, Astronauten oder Satelliten – wächst stark, was auch daran liegt, dass immer mehr kommerzielle Anbieter wie SpaceX oder ULA in diesem Bereich aktiv werden. Diese Anbieter suchen nach günstigeren und leichteren Lösungen, um ihre Raumfahrzeuge wiederverwenden und die Kosten senken zu können.
Traditionelle Schutzsysteme: Kacheln und ihre Schwächen
Bisher dominieren vor allem Keramikkacheln den Markt. Diese wurden bereits beim Space Shuttle verwendet, sind aber mit zahlreichen Nachteilen behaftet: Sie sind empfindlich, schwer zu warten und sehr aufwendig zu reparieren. Eine beschädigte Kachel führte im Jahr 2003 zum Absturz der Raumfähre Columbia – ein tragisches Beispiel für die Grenzen dieser Technologie. Auch moderne Systeme wie Starship von SpaceX setzen wieder auf Kacheln, allerdings mit einer neuen Form und Struktur, die robuster und kostengünstiger sein sollen.
Alternative Ansätze
Ablative Schilde: Diese Schutzschichten funktionieren nach dem Prinzip, dass sich das Material beim Wiedereintritt kontrolliert auflöst, wobei Hitze in Form von Gas abgeführt wird. Dieser Prozess – auch „Ablation“ genannt – war zum Beispiel bei der Apollo-Mission im Einsatz. Dabei wird das Material buchstäblich „verbraucht“, was jedoch Wiederverwendung ausschließt. Die neueren Materialien wie „PICA-X“ von SpaceX könnten jedoch mehrfach verwendbar sein, wenn sie unterhalb ihrer Belastungsgrenze bleiben.
Aufblasbare Hitzeschilde: Eine spannende Innovation sind Schilde, die sich erst im All aufblähen oder ausklappen. Dadurch kann ihre Fläche stark vergrößert werden, was die Hitze besser verteilt. Allerdings müssen diese Systeme spezielle Gaserzeugungsanlagen an Bord haben und befinden sich noch in der Testphase. Ein wichtiger Meilenstein war der NASA-Test „LOFTID“ im Jahr 2022, bei dem ein aufblasbarer Schild erfolgreich aus dem Orbit zurückkehrte.
Bis 2035 schätzt IDTechEx den Weltmarkt für Hitzeschilde auf rund 90 Millionen US-Dollar. Der Markt wird dabei sowohl durch staatliche Raumfahrtagenturen als auch durch kommerzielle Anbieter getrieben. Die Wahl des richtigen Schutzsystems hängt künftig davon ab, wie oft ein Raumfahrzeug verwendet wird, welche Mission es erfüllen soll und wie hoch die Kosten sein dürfen.
Quelle (Englisch): https://www.idtechex.com/en/research-report/heat-shields-and-thermal-protection-systems-for-spacecraft/1085