Phoebus: Bändigung des kleinsten Moleküls im Universum

Phoebus ist ein Projekt der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Zusammenarbeit mit ArianeGroup und MT Aerospace. Ziel ist es, die Machbarkeit und die Vorteile des Ersatzes der Metalltanks in der Oberstufe der ESA-Trägerrakete Ariane 6 durch Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff zu bewerten. Dieses leichte Material bietet zwar die Möglichkeit, mehrere Tonnen an Masse einzusparen, jedoch wurde ein solcher Ansatz bisher noch nie realisiert und birgt erhebliche technische Herausforderungen.

Der zentrale Kern der Ariane-6-Rakete wird mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff betrieben, zwei sehr unterschiedlichen Molekülen. Daher müssen im Rahmen des Phoebus-Projekts zwei Arten von Tanks entwickelt und hergestellt werden, die extremen Bedingungen standhalten. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Fortschritte beim Wasserstofftank. Weitere Neuigkeiten zu Phoebus finden Sie in den Links am Ende dieses Artikels.

Lass es frieren!

Wasserstoff ist das kleinste Molekül im Universum. Wenn er als Treibstoff für die Ariane 6-Rakete verwendet wird, muss er auf −253 °C gekühlt werden, nur 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C oder 0 K, der kältest-möglichen Temperatur im Universum.

Im Allgemeinen vertragen Kohlefaserverbundwerkstoffe solche Kälte nicht gut, ähnlich wie unsere Haut im Winter. Durch die Kälte wird unsere Haut trocken und spröde, sodass sie bei Bewegung oder Druck reißen kann. Das Gleiche gilt für Kohlefasertanks: Wenn sie mit kühlen Treibstoffen unter Druck befüllt werden, können kleine Risse entstehen, was bei einem Raketentank nicht erwünscht ist.

Unter diesen extremen Bedingungen hat das Phoebus-Projektteam viele technische Hürden überwunden – nicht nur bei der Entwicklung und den Tankkonzepten, sondern auch bei der Messung. Es gibt keine handelsüblichen Geräte, die winzige Leckraten bei kryogenen Temperaturen von bis zu –253 °C genau messen können.

Phoebus hat bereits bewiesen, dass dies möglich ist: Kleine 60-Liter-Demonstrations -„Flaschen”-Tanks mit einer Temperatur von –253 °C haben gezeigt, dass kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff Wasserstoff in flüssiger Form speichern kann – und das ganz ohne Lecks.

Den eiskalten Druck bis zum Bruchpunkt erhöhen

Nun arbeitet das Phoebus-Team an einer größeren Version mit einem aktualisierten Design, die fast 2600 Liter fassen wird. Dieser Wasserstofftank mit einem Durchmesser von 2 Metern wird im nächsten Jahr durch Befüllung mit Wasserstoff getestet werden.

Der Tank hat im September 2025 bei MT Aerospace in Augsburg die ersten Fertigungsschritte für seinen inneren Druckbehälter durchlaufen, wobei die Produktion voraussichtlich im Dezember abgeschlossen sein wird. ArianeGroup wird für die Tests verantwortlich sein, und ihre Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten derzeit an der Konstruktion der Testanlage.

Eine Testreihe ist für April nächsten Jahres geplant. Obwohl Wasserstoff bei –253 °C gelagert wird, ist er sehr leicht entflammbar und erfordert daher eine sorgfältige Handhabung, besondere Fachkenntnisse und strenge Sicherheitsvorschriften, um sicherzustellen, dass alles reibungslos verläuft. Die Tests werden auf einem Testgelände von ArianeGroup in Trauen durchgeführt. Der Tank wird Schritt für Schritt bis zu seiner Bruchgrenze belastet, um einen Risseffekt zu erzeugen, jedoch nicht darüber hinaus: Das Team wird den Test beenden, bevor der Tank vollständig versagt. Die Arbeiten begannen im Februar 2025, und im Juni 2025 wurde ein vorläufiger Entwurf bestätigt. Eine kritische Entwurfsprüfung bis Ende dieses Jahres wird den Beginn der Bauarbeiten am Standort ermöglichen.

Es sollen mehrere Tests durchgeführt werden, um so viel wie möglich über das Verhalten des Tanks auf der Startrampe und während des Starts zu erfahren und zu verstehen, wie und wo die ersten Risse auftreten könnten. Sensoren auf und im Tank liefern Daten zu Druck, Temperatur und Belastung, die während der Tests überwacht und zwischen den einzelnen Testphasen eingehend ausgewertet werden.

Phoebus ist Teil des Vorbereitungsprogramm für zukünftige Trägerraketen (Future Launchers Preparatory Programme oder FLPP) der ESA, das zur Entwicklung der Technologie für zukünftige Raumtransportsysteme beiträgt. Durch die Konzeption, Entwicklung und Investition in neue Technologien reduziert dieses Programm das Risiko, das mit der Entwicklung ungetesteter und unbewährter Projekte für die Raumfahrt verbunden ist.