Neue Partnerschaft zur Herstellung von Leichtbaumaterialien für die Raumfahrtindustrie gegründet
Das Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) hat eine neue Partnerschaft mit dem luxemburgischen Unternehmen Gradel angekündigt, um ultraleichte Strukturen für die Luft- und Raumfahrtindustrie zu erforschen und herzustellen. Die Teile werden für drei europäische Giganten im Satellitenbau hergestellt: Thales Alenia Space (Frankreich), Airbus Defence and Space (Frankreich) und OHB (Deutschland).
Im Bereich der Raumfahrt und der Satelliten ist Gewicht teuer. Je schwerer ein Produkt für den Transport ins All ist, desto mehr kostet es. Derzeit wird von Kosten in Höhe von 5 000 bis 10 000 EUR pro Kilogramm ausgegangen, was bedeutet, dass sich jede Gewichtsreduzierung für Unternehmen, die Satelliten ins All schicken, finanziell auszahlt.
Die neue Partnerschaft zielt darauf ab, sehr widerstandsfähige und dennoch ultraleichte Strukturen mit Hilfe von endlosen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFRP) in einem Filament-Winding-Verfahren herzustellen, wodurch ultraleichte 3D-Strukturen entstehen.
Die Kohlenstofffasern sind mit einem Polymer beschichtet, das das gesamte Objekt verfestigt und es extrem stabil und widerstandsfähig macht. Imprägnierte Kohlenstofffasern werden zu einem optimierten 3D-Netz gewickelt, das dem Teil seine besonderen mechanischen Eigenschaften verleiht.
Zwei Projekte werden in den LIST-Gradel-Labors durchgeführt. Das erste Projekt mit der Bezeichnung "xFKin3D" besteht in der manuellen Herstellung von Teilen mit Hilfe des Filamentwebens. Es zielt auf die Demonstration der Weltraumtauglichkeit von Strukturteilen ab, die mit der xFKin3D-Technologie hergestellt werden.
Das zweite Projekt mit der Bezeichnung "Robotisiertes xFKin3D" wird sich der Herausforderung stellen, die gleichen Teile wie beim ersten Projekt herzustellen, jedoch unter Verwendung eines neuen Roboterarms, der kürzlich bei LIST installiert wurde, so dass es sich um einen vollautomatischen Herstellungsprozess handelt, der eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit in gleicher Stärke und Qualität gewährleistet, jedoch in einem größeren Maßstab.
Die hergestellten Komponenten sind für die Verwendung in allen Antennenhalterungen für die Ausrüstung von Satelliten bestimmt. Derzeit sind viele dieser Teile aus Metall und daher relativ schwer. Ziel ist es, von Metallteilen wegzukommen, und mit dieser neuen Technologie von LIST und Gradel, die in Luxemburg hergestellt wird, kann eine Gewichtsreduzierung von bis zu 75% erreicht werden, wodurch die Unternehmen erhebliche Kosten sparen.
Beide Projekte werden durch das nationale luxemburgische Raumfahrtprogramm LuxIMPULSE unterstützt, das darauf abzielt, Finanzmittel bereitzustellen, um in Luxemburg ansässige Unternehmen bei der Markteinführung innovativer Ideen zu unterstützen. Das Programm wird von der luxemburgischen Raumfahrtbehörde (LSA) zusammen mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) verwaltet.
Neue Kohlenstofffasern für Windturbinenblätter könnten Kosten- und Leistungsvorteile bringen
Ein neues Kohlenstofffasermaterial könnte der Windindustrie Kosten- und Leistungsvorteile bringen, wenn es kommerziell entwickelt wird, so eine Studie unter der Leitung von Forschern der Sandia National Laboratories.
Windflügel mit Kohlefasern wiegen 25% weniger als solche aus herkömmlichen Glasfasermaterialien. Das bedeutet, dass Kohlefaserblätter länger sein könnten als Glasfaserblätter und daher an windschwachen Standorten mehr Energie einfangen könnten. Eine Umstellung auf Kohlefaser könnte auch die Lebensdauer der Rotorblätter verlängern, da Kohlefasermaterialien eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen, so Brandon Ennis, Windenergieforscher bei Sandia Labs und Leiter des Projekts.
Das Projekt wird vom DOE-Büro für Windenergietechnologien im Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien finanziert. Zu den Partnern des Projekts gehören das Oak Ridge National Laboratory und die Montana State University.
Von allen Unternehmen, die Windturbinen herstellen, verwendet nur ein einziges in großem Umfang Kohlefaserwerkstoffe für die Konstruktion seiner Rotorblätter. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen sind die größten einteiligen Verbundwerkstoffkonstruktionen der Welt, und die Windkraftindustrie könnte den größten Markt für Kohlefasermaterialien nach Gewicht darstellen, wenn ein Material kommerziell verfügbar wäre, das im Kosten-Nutzen-Verhältnis mit glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen konkurrieren könnte, so Ennis.
Bei der Konstruktion von Bauteilen in der Windkraftindustrie stehen die Kosten im Vordergrund, doch müssen die Turbinenhersteller auch Rotorblätter bauen, die den Druck- und Ermüdungsbelastungen standhalten, denen die Blätter während ihrer Drehung bis zu 30 Jahre lang ausgesetzt sind.
Ennis und seine Kollegen fragten sich, ob eine neuartige, kostengünstige Kohlenstofffaser, die am Oak Ridge National Laboratory entwickelt wurde, die Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig Kostenvorteile für die Windindustrie bringen könnte. Ausgangspunkt für dieses Material ist ein weit verbreitetes Vorprodukt aus der Textilindustrie, das dicke Bündel von Acrylfasern enthält. Auf den Herstellungsprozess, bei dem die Fasern erhitzt werden, um sie in Kohlenstoff umzuwandeln, folgt ein Zwischenschritt, bei dem die Kohlenstofffasern zu Brettern gezogen werden. Das Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Planken erzeugt Kohlenstofffasern mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit, die für die Herstellung von Schaufeln benötigt werden, und ermöglicht zudem eine hohe Produktionskapazität.
Als das Forschungsteam diese kostengünstige Kohlenstofffaser untersuchte, stellte es fest, dass sie in Bezug auf die kostenspezifischen Eigenschaften, die für die Windindustrie von größtem Interesse sind, besser abschneidet als handelsübliche Materialien.
Das ORNL stellte Entwicklungsmuster von Kohlenstofffasern aus seiner Carbon Fiber Technology Facility und Verbundwerkstoffe aus diesem Material sowie ähnliche Verbundwerkstoffe aus handelsüblichen Kohlenstofffasern zum Vergleich zur Verfügung.
Kollegen an der Montana State University maßen die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Kohlefaser im Vergleich zu handelsüblichen Kohlefaser- und Standard-Glasfaserverbundwerkstoffen. Anschließend kombinierte Ennis diese Messungen mit den Ergebnissen der Kostenmodellierung des ORNL. Er nutzte diese Daten in einer Blattentwurfsanalyse, um die Auswirkungen der Verwendung der neuartigen Kohlenstofffasern anstelle von Standard-Kohlenstofffasern oder Glasfasern als Hauptträgerstruktur in einem Windblatt zu bewerten. Die Studie wurde vom U.S. Department of Energy Wind Energy Technologies Office finanziert.
Ennis und seine Kollegen fanden heraus, dass das neue Kohlenstofffasermaterial eine um 56% höhere Druckfestigkeit pro Dollar aufweist als handelsübliche Kohlenstofffasern, die in der Branche als Basis dienen. Normalerweise gleichen Hersteller eine geringere Druckfestigkeit aus, indem sie mehr Material für die Herstellung eines Bauteils verwenden, was wiederum die Kosten erhöht. In Anbetracht der höheren Druckfestigkeit der neuartigen Kohlefaser pro Kostenpunkt ergaben die Berechnungen von Ennis eine Einsparung von etwa 40% bei den Materialkosten für eine Holmkappe, dem wichtigsten Bauteil eines Windturbinenflügels, die aus der neuen Kohlefaser im Vergleich zu handelsüblicher Kohlefaser hergestellt wird.