Austro-Laserzündung soll nach 20 Jahren Forschung ins All

"Der Zündlaser basiert auf extrem kurzen und energiereichen Lichtpulsen, welche in die Brennkammer eines Triebwerks fokussiert werden und dort im Treibstoff Plasma und damit einen Zündfunken erzeugen", sagte der SAL-Forscher Kroupa. Die erste Idee bei der Forschungsinstitution bzw. ihrer Kärntner Vorläufergesellschaft Carinthian Tech Research (CTR) war es, einen kleinen, kompakten Laser zu entwickeln, den man direkt auf Verbrennermotoren schrauben kann. "Der Vorteil an diesem System ist, dass das Plasma, welches der Laser erzeugt, im Brennraum relativ frei angeordnet werden kann", so Kroupa. Bei der herkömmlichen elektrischen Zündkerze sei das Plasma auf die Elektroden beschränkt und könne deswegen nur in der Nähe des Randes erzeugt werden.

Ein zweiter Vorteil sei, dass der Laser das Plasma in Nanosekunden erzeugt. Jenes habe dann eine Lebensdauer von 10 bis 20 Mikrosekunden (also Millionstel einer Sekunde) - das Timing der Laserzündkerze ist damit wesentlich besser als das von elektrischen Zündfunken. "Drittens ist die Energiedichte des Lasers viel höher, weil er das Plasma in einem kleineren Punkt erzeugt", sagte Kroupa. Man könne dementsprechend magerere Gemische zünden und damit den Prozess bei Verbrennermotoren schadstoffärmer durchführen. "Diesen positiven Aspekten standen die Kosten der Laserzündsysteme gegenüber, die für die Massenproduktion im Automobilbereich einfach zu hoch waren", erläuterte der Forscher.

In einer weiterführenden Kooperation mit Luftfahrtbetrieben wurde die Größe der Laser daraufhin drastisch reduziert. Damit einhergehende Publikationen erregten die Aufmerksamkeit der Raumfahrtindustrie: In Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der ArianeGroup (damals: Airbus Defence and Space) habe man vor rund 15 Jahren begonnen, an kleinen Raketenbrennkammern Laserzündungen durchzuführen - "Das hat erstaunlich gut funktioniert", erinnerte sich Kroupa.

Die Vorteile der Laserzündung in der Raumfahrt liegen hauptsächlich bei der Größe und dem Gewicht der Systeme: Denn derzeit werden viele Triebwerke noch mit kleinen Sprengkapseln, sogenannten Pyrokapseln, gezündet. Diese seien nicht testbar und stellen vor dem Start ein Sicherheitsrisiko dar. Aus diesen Gründen und wegen des hohen Gewichts wollen die meisten Raketenhersteller in Zukunft andere Systeme verwenden. Die gängige Alternative zu den Pyrokapseln sind Gasfackelzünder, also kleine Brennkammern mit elektrischen Zündkerzen, die eine Art Fackel erzeugen und so die Hauptkammer entzünden. Jene brauchen aber eine zusätzliche Treibstoffversorgung, das gesamte System wiege einige Dutzend Kilogramm. "Im Vergleich dazu wiegt der Laser in etwa drei bis vier Kilo - das bedeutet eine erhebliche Ersparnis", sagte Kroupa. Außerdem benötige dieser nur eine elektrische Versorgung, also keine weiteren Treibstoffe, und kann beliebig oft getestet und zur Zündung verwendet werden.

Die größte Herausforderung bei der Adaption sind trotz aller Pluspunkte die Umgebungsbedingungen bei der Verwendung in Raketen- oder Satellitenantrieben: "Durch den flüssigen Treibstoff sinkt im Rahmen eines Flugs die Temperatur des Lasers auf bis zu minus 180 Grad Celsius hinunter. Nach der Zündung hat es in der Brennkammer bis zu 3.000 Grad, außerdem gibt es sehr starke Vibrationen, Temperaturschocks und unter Umständen Druckschläge, die auf das System einwirken", so der Forscher. Mit dem Bau und Test eines Technologiedemonstrators des Laserzünders für das Oberstufentriebwerk "Vinci" der Ariane Rakete im Jahr 2016 war ein bedeutender Schritt in Richtung eines unter realen Betriebsbedingungen einsatzfähigen Systems erreicht. Zusammen mit ArianeGroup und Airbus wurden die Materialien und der Aufbau der Systeme daraufhin an die strengen Kriterien im Raumfahrtbereich angepasst.

"Jetzt ist ein Zustand erreicht, an dem wir die nunmehr 5. Generation des Laserzündsystems an die Raumfahrtweiterentwicklung übergeben können. Mit ArianeGroup ist ein Lizenzabkommen abgeschlossen worden, um den Laser in die Serienproduktion zu bringen", so Kroupa. Was allerdings noch fehle, ist die Zertifizierung über die Raumfahrttauglichkeit aller Komponenten. Während die Flugtauglichkeit des Systems in ungefähr zwei Jahren erreicht werden soll, bemisst der Forscher den Zeithorizont für einen Erstflug nach den rigorosen Tests und weiteren bürokratischen Hürden auf drei bis fünf Jahre.

"In Zukunft bewegen sich außerdem alle größeren Raketenhersteller aus Kosten- und Ausfallsicherheitsgründen in Richtung Clustertriebwerke", so Kroupa. Das extremste Beispiel dafür sei der Booster des "Starship"-Konzepts des amerikanischen Raumfahrtunternehmens SpaceX - hier kommen in der Unterstufe der Rakete 33 Triebwerke zum Einsatz. Auch ArianeGroup arbeitet mit dem Prometheus-Triebwerk an einem Antriebssystem, welches mehrere Schubkammern in der Unterstufe eines wiederverwendbaren Trägers einsetzt. Deswegen forsche das Projektteam derzeit unter anderem daran, den Laserstrahl über Glasfaser zu verteilen - so könnten mit nur einem Laserstrahl mehrere Triebwerke gezündet werden.

(S E R V I C E - https://silicon-austria-labs.com/)