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Heiße Muster im kalten All

So etwa soll das europäische Athena-Raumschiff aussehen. Visualisierung: Esa

Draußen im All kann es kalt werden – hier eine Visualisierung des europäischen Athena-Raumschiffs. Visualisierung: Esa

Fraunhofer IWS druckt Heizungen für die Raumfahrt

Dresden, 25. Juni 2020. Satelliten und Raumschiffe zu bauen, ist alles andere als billig. Das liegt auch daran, dass kosmische Technik weit ausfallsicherer konstruiert sein muss als auf Erden. Im All können selbst minimale Probleme wie eine vereiste Batterie dramatische Folgen haben. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden hat daher nun für Airbus besondere zuverlässige dünne Keramik-Silber-Heizungen entwickelt. Diese lassen sich auf Rohre und andere kompliziert geformte Bauteile nahtlos und automatisiert aufdrucken.

Selbst Profis sind vor Bläschen in der Klebefolie nicht gefeit

„Fraunhofer-Technologien wie die gedruckten Heizungen, für deren Weiterentwicklung wir aktiv und mit Gewinn für beide Seiten kooperieren, sind eine wertvolle Unterstützung“, schätzte Dr. André Holz ein, der Teamleiter für „Thermal Engineering“ bei „Airbus Defence and Space“ in Bremen Denn bisher mussten Techniker in solchen Fällen Heizfolien aus Polymeren von Hand aufkleben. „Das ist nicht nur aufwändig, sondern auch fehleranfällig“, erklärt Fraunhofer-Gruppenleiter Lukas Stepien, der die additiv gefertigten Heizungen am IWS mitentwickelt hat. „Im Klebeprozess können unerkannt kleine Gasbläschen eingeschlossen werden. Die Bläschen dehnen sich im Vakuum des Weltraums aus. Das senkt letztlich die Heizleistung.“

Das Raumschiff-Rohr wird erst mit der beigen Keramik beschichtet, dann trägt eine Kanüle ein Mäandermuster aus Metall auf - die spätere Heizung. Foto: Fraunhofer-IWS

Das Raumschiff-Rohr wird erst mit der beigen Keramik beschichtet, dann trägt eine Kanüle ein Mäandermuster aus Metall auf – die spätere Heizung. Foto: Fraunhofer-IWS

Fließt Strom durchs metallische Mäander, wird es warm

Das neue IWS-Konzept löst nun diese Probleme. Im konkreten Fall sind Titanrohre mit nur sechs Millimetern Durchmesser zu beheizen, die später Gase oder Flüssigkeiten transportieren sollen. Zunächst isolieren die Fraunhofer-Ingenieure diese Röhrchen in einer thermischen Spritzanlage mit einer dünnen Keramikschicht. Dann bringen sie mit einer Dispersions-Druckmaschine die Heizelemente auf, die äußerlich den Windungen eines Flusses ähneln. Durchfließt später ein Strom das metallische Mäander, setzt es Wärme frei.

Präzision beim Druck auf gewölbte Flächen gefragt

Um dieses heizende Muster zu erzeugen, füllen die Spezialisten eine Kartusche mit einer besonderen Paste, die kleine Silberteilchen enthält. Einsetzbar sind aber auch Pasten mit Partikeln aus Kupfer, Nickel oder anderen leitfähigen Metallen. Druckluft presst das zähflüssige Material dann durch die Kartusche hin zu einer feinen Kanüle. Diese Hohlnadel druckt schließlich das etwa zehn Mikrometer dünne Heizmuster auf die keramikisolierten Rohre, die sich dabei auf einer Welle drehen. „Dabei muss der Druckkopf die ganze Zeit über einen konstanten Abstand zur Keramikschicht halten – und das nicht auf einer zweidimensionalen Fläche, sondern eben auf einem gekrümmten Rohr“, betont Lukas Stepien.

Kanülensteuerung entscheidend

Dies ist eine ganz besondere Herausforderung, die das Fraunhofer IWS durch ein raffiniertes Zusammenspiel aus Wellen- und Kanülensteuerung gelöst hat. Solch eine Lösung beinhaltet gleich mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Heizfolien zum Aufkleben: Einerseits fällt viel fehlerträchtige Handarbeit weg. Stattdessen lassen sich die Fraunhofer-Heizungen automatisiert drucken und so auch kompliziert geformte Objekte passgenau beschichten – ohne Luftblasen oder Falten, wie sie bei Folien immer wieder entstehen.

Gedruckte Heizungen sind billiger und zuverlässiger

Weiter rechnen die Dresdner Ingenieure damit, dass ihre gedruckten Heizungen preiswerter und flexibler herzustellen sind. Sie sollen, besonders bei hohen Betriebstemperaturen, länger halten, zuverlässiger funktionieren und mehr Langzeit-Heizleistung erreichen als herkömmliche Lösungen. Erreichbar sind höhere Leistungsdichten, Material- und Zeitersparnisse. Zudem können die Hersteller vorab testen, wie gut die gedruckten Heizungen im Praxiseinsatz funktionieren werden. „Jenseits der 300 Grad scheiden Folienheizungen ohnehin aus“, betont Lukas Stepien. „Solche Betriebstemperaturen halten Kunststoffe dauerhaft nicht aus.“ Bisher sind die gedruckten Heizelemente aus dem Fraunhofer-Institut für bis zu 200 Grad ausgelegt. Durch neue Pastenkompositionen und andere Weiterentwicklungen wollen die Dresdner Forscher diese Grenze künftig auf etwa 800 Grad anheben.

Eine weitere Verbesserung steht zusätzlich auf der Forschungsagenda des Instituts: Damit die gedruckten Heizungen Wärme liefern, benötigen sie einen Stromanschluss. Was bislang in Form von Lötverbindungen gelöst wird, soll im nächsten Schritt über effektivere Kontaktierungsmethoden „Made in Dresden“ funktionieren.

Auch gegen Kondenswasser an Kamera-Linsen einsetzbar

Neben der Raumfahrt winken im Übrigen ganz irdische Anwendungsmöglichkeiten: Vorstellbar sind beispielsweise filigrane Heizungen, die störendes Kondenswasser von Spiegelreflexkameras oder von den Kameralinsen autonom fahrender Fahrzeuge fernhalten. Auch für die Chemie-, Halbleiter- oder Lebensmittelindustrie, deren Rezepte oft nur bei präzise eingepegelten Temperaturen funktionieren, sind Rohrsysteme mit passgenau aufgedruckten Heizungen interessant.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: IWS Dresden