Toekomstige raketten zouden kunnen vliegen met tanks die zijn gemaakt van lichtgewicht met koolstofvezel versterkt plastic dankzij baanbrekend onderzoek dat is uitgevoerd in het kader van het Future Launchers Preparatory Program van ESA.

Voortbouwend op eerdere studies, MT Aerospace in Duitsland heeft een nieuw ontwerp gedemonstreerd van een kleinschalige tank gemaakt van een unieke koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) die niet alleen lekvrij is met vloeibare waterstof, maar ook compatibel met vloeibare zuurstof, zonder het gebruik van een metalen voering.

Een tank die uitsluitend van CFRP is gemaakt, is veel lichter dan metaal, vereist minder onderdelen en is daardoor sneller en goedkoper te vervaardigen.

Dit is zoals gewoonlijk een mijlpaal, opslag van cryogene drijfgassen zoals deze die worden gekoeld tot -253˚C vereist tanks met metalen voeringen om ze lekvrij te maken, met of zonder composiet omhulsel.

"Brandstoftanks zijn veiligheidskritieke elementen in elk voortstuwingssysteem, " legde Hans Steininger uit, CEO bij MT Aerospace. "We hebben het bewijs geleverd dat een hoogwaardige druktank van CFRP bestand is tegen cryogene belasting. In de toekomst zullen het gebruik van hoogwaardige CFRP-tanks moet niet alleen veilige raketlanceringen mogelijk maken, het kan ook profiteren van het voordeel van een aanzienlijk lagere massa in vergelijking met metalen tanks."

"Dit is een enorme stap voorwaarts. We hebben een zeer specifieke koolstofcomposiet- en verwerkingsmethode gevonden waarmee we nieuwe architecturen en combinaties van functies voor de bovenste trappen van raketten kunnen overwegen die niet mogelijk zijn met metaal, " voegde Kate Underhill eraan toe, Boventrap en voortstuwing demonstrators projectmanager in het Future Launchers Preparatory Program bij ESA.

"Metaal is lekdicht. Om dezelfde eigenschap te recreëren met koolstofcomposiet was een complex weefsel van zwarte koolstofvezel en een speciale hars nodig. Het materiaal was bestand tegen cryogene temperaturen, drukcycli en reactieve stoffen over een aantal afzonderlijke tests."

Na deze 'fles'-testen, kleinschalige tankdemonstrators met geïntegreerde thermische beveiliging worden binnenkort gebouwd voor verdere tests. De verzamelde gegevens zullen worden gebruikt voor de ontwikkeling van een volledige demonstratie van een toekomstige, sterk geoptimaliseerde bovenste trap, genaamd Phoebus.

Phoebus krijgt waterstof- en zuurstoftanks met een diameter van 3,5 m. thermische bescherming, structurele assemblage-elementen en voorzien van nieuwe technologieën in avionica, constructies en voortstuwingsapparatuur. CFRP wordt toegepast in de tanks, de interfacestructuur tussen de twee tanks en de buitenste cilinder die representatief is voor de buitenste huid van de bovenste trap.

De Phoebus-demonstrator zal in 2023 worden getest met cryogene vloeistoffen om de functionele prestaties van de technologieën en nieuwe kostenefficiënte productiemethoden te bevestigen als onderdeel van een nieuw contract om de ontwikkeling van sterk geoptimaliseerde bovenste trappen te bevorderen.

"Hier is een uitstekend voorbeeld van hoe ESA's ondersteuning van geavanceerde geavanceerde technologieën tot grote doorbraken leidt. Dit nieuwe lichtgewicht materiaal op koolstofbasis zou de fabricage mogelijk maken van een Ariane 6-boventrap die twee ton lichter is - massa vrijgemaakt voor nuttige ladingen, " zei Daniel Neuenschwander, ESA-directeur ruimtevaart.

Het Phoebus-project is een gezamenlijk initiatief van MT Aerospace en ArianeGroup in Duitsland om belangrijke technologieën te valideren die sinds mei 2019 zijn ontwikkeld met steun van ESA.