Unternehmen der Luft- und Raumfahrtbranche stehen vor einer Reihe Herausforderungen: Entwicklungszyklen sollen verkürzt, nachhaltigere Technologien entwickelt und Kosten gesenkt werden. Zudem erfordern Fortschritte in der Satellitentechnologie neue Fertigungsansätze, um kleinere, leichtere und leistungsfähigere Systeme zu entwickeln.
Während staatliche Raumfahrtprogramme nach wie vor eine tragende Rolle spielen, treiben zudem private Akteure wie SpaceX, Blue Origin und Rocket Lab die Kommerzialisierung der Raumfahrt voran. Sie setzen neue Maßstäbe für Effizienz und Wirtschaftlichkeit – der Wettbewerb war noch nie so groß.
Parallel dazu erfordert der Klimawandel alternative Antriebe und den Einsatz nachhaltiger Werkstoffe; der Wunsch steht nach emissionsfreien Flugzeugen. Es ist absehbar, dass nationale und internationale Regularien den Schadstoffausstoß künftig stärker bepreisen und strengere Vorgaben für nachhaltiges Fliegen durchsetzen werden.
Hier kommt das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT ins Spiel – denn moderne Lasertechnologie kann viele dieser Herausforderungen adressieren.
Additive Fertigung von wärmebeständigem Kupfer
Das am Fraunhofer ILT entwickelte LPBF-Basispatent (Laser Powder Bed Fusion) für den metallischen 3D-Druck bildet eine Grundlage für den Prototypenbau und die Produktion funktionsoptimierter Bauteile in Luft- und Raumfahrt. Entwicklungszyklen lassen sich so verkürzen: Der Weg vom CAD-Modell zum Prototyp benötigt nur noch wenige Tage statt mehrerer Monate – bei gleichzeitiger Kostenreduzierung. Konstrukteure haben mehr Designfreiheit und können unterschiedliche Varianten parallel testen.
„Überall dort, wo maßgeschneiderte, hochkomplexe Bauteile benötigt werden, kann die additive Fertigung ihre Vorteile in puncto Flexibilität voll ausschöpfen“, sagt Dr. Tim Lantzsch, Abteilungsleiter Laser Powder Bed Fusion am Fraunhofer ILT. „In der Luft- und Raumfahrt bietet die additive Fertigung enorme Möglichkeiten, Bauteile zu optimieren und gleichzeitig Gewicht und Materialeinsatz zu reduzieren.“
Ein gutes Beispiel für die Anwendung der additiven Fertigung am Fraunhofer ILT ist die Entwicklung von LPBF für Kupfermaterialien. Kupfer ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ideal für Bauteile, die thermischen Belastungen standhalten müssen, wie beispielsweise Brennkammern in Raketentriebwerken. Das LPBF-Team hat die Prozessgrenzen für Kupferlegierungen erweitert, indem es gezielt grüne Laserstrahlung zur Verarbeitung von GRCop42 (CuCrNb) einsetzt. Dies ermöglicht die Herstellung von hochdichten, dünnwandigen Strukturen mit optimiertem Wärmemanagement.
Leichtbauteile für Flugzeuge
Laser Material Deposition (LMD) ist ein weiteres additives Verfahren, um Bauteile mit hoher Präzision und optimalen Materialeigenschaften zu fertigen. Im Projekt Enlighten ermöglicht es die Herstellung von Komponenten mit optimierter Topologie, reduziertem Gewicht und hoher Belastbarkeit.
„Das Besondere ist, dass wir durch die vielfältigen Möglichkeiten der LMD-Technologie die Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung neuartiger Generationen von Raketendüsen drastisch verbessern“, sagt Dr. Thomas Schopphoven, Abteilungsleiter Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT. „Das untersuchte Design verfügt abgesehen von seinem großen Bauraum über außergewöhnlich filigrane und dünnwandige Kühlkanäle, die mit konventionellen Fertigungsrouten nur unter großem Aufwand realisiert werden können.“
Ein weiterer Fokus liegt auf der Herstellung von Strukturbauteilen für Flugzeuge mit hoher Festigkeit und wenig Gewicht. LPBF ermöglicht die Fertigung von Leichtbaukomponenten, die die Effizienz moderner Flugzeuge steigern. Mit LMD können beschädigte Bauteile gezielt erneuert werden – ein Schritt in Richtung schlanke Lieferketten, Nachhaltigkeit und Kostenreduktion.
Neue Fügetechnologien und Hybridmaterialien
Geringerer Treibstoffverbrauch, weniger Emissionen und erhöhte Nutzlasten: Hybridmaterialien, die Kunststoffe und Metalle kombinieren, bieten hierfür eine vielversprechende Lösung. Damit diese Werkstoffe zuverlässig verbunden werden können, hat das Fraunhofer ILT Fügetechnologien entwickelt, beispielsweise die Laserstrukturierung für Kunststoff-Metall-Hybridbauteile. Bei diesem Verfahren wird die Metalloberfläche zunächst mit einem Laser strukturiert, um Mikroporen zu erzeugen, die anschließend mit Kunststoff gefüllt werden.
„Durch die präzise Laserstrukturierung können wir die Haftung zwischen Metall und Kunststoff erheblich verbessern und damit Hybridbauteile entwickeln, die sowohl leichter als auch mechanisch robuster sind“, sagt Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. So lassen sich Metall-Kunststoff-Verbindungen herstellen, die die nötige strukturelle Festigkeit besitzen für die Anwendung in Tragflächen, Rumpfstrukturen und Triebwerkskomponenten.
Auch Laserdurchstrahlschweißen für Faserverbundwerkstoffe bildet eine Innovation für den modernen Leichtbau. Hierbei absorbiert die Fügezone den Laserstrahl, wodurch sich hitzebeständige Kunststoffbauteile sicher mit Faserverbundwerkstoffen verbinden lassen. Die Methode verbessert die mechanische Belastbarkeit und Lebensdauer dieser Materialien und senkt gleichzeitig ihre Herstellungskosten. „Die Vorteile, Hybridmaterialien mit Lasertechnologie zu bearbeiten, sind: Gewichtsersparnis, höhere Festigkeit und Langlebigkeit der Verbindungen, Kosteneinsparungen durch wartungsarme Fügeverfahren und laserbasierte Reparaturtechniken“, fasst Olowinsky zusammen.
Zusätzlich erforscht das Laserinstitut LMD mit Aluminiumlegierungen. „Da Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist das Schweißen traditionell eine Herausforderung“, sagt Schopphoven. „Das angepasste LMD-Verfahren ermöglicht hochfeste, präzise Schweißnähte, die das Material nicht unnötig belasten. Diese Technik eignet sich insbesondere bei gewichtssparenden Strukturelementen für Flugzeuge und Raumfahrzeuge.“
Anwendungen für Satelliten- und Atmosphärenforschung
Bei der Erfassung atmosphärischer Daten sowie der Weiterentwicklung satellitengestützter Technologien ermöglichen Lasersysteme hochauflösende, selektive Messungen spezifischer Moleküle, die präzise Bestimmung von Luftströmungen und eine abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation.
Lidar-Technologien haben sich mittlerweile als Werkzeug zur Untersuchung atmosphärischer Prozesse bewährt. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) hat das Fraunhofer ILT in den vergangenen Jahren entsprechende Systeme für Messkampagnen zur Klimaforschung entwickelt. Hierbei kommen hochenergetische UV-Laser zum Einsatz, die tageslichtfähige Messungen von Aerosol- und Spurengasverteilungen ermöglichen.
Neben bodengestützten Systemen erforscht das Fraunhofer ILT flugzeug- und satellitengestützte Lidar-Technologien, die für zukünftige Erdbeobachtungssatelliten relevant sind. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung kompakter, leistungsfähiger Lasersysteme mit hoher Strahlqualität, minimalem Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit.
Ein Beispiel ist die MERLIN-Mission (Methane Remote Sensing Lidar Mission), eine deutsch-französische Kooperation zur globalen Überwachung von Methanemissionen. Methan ist als Treibhausgas etwa 25-mal klimaschädlicher als CO2. „Das Fraunhofer ILT entwickelte für die MERLIN-Mission gemeinsam mit Airbus Defence and Space einen hochstabilen Transmitter für ein LIDAR System, das Methan in der Erdatmosphäre detektieren kann“, erklärt Hans-Dieter Hoffmann, Abteilungsleiter Laser und Optische Systeme am Fraunhofer ILT. „Dieses System ermöglicht es, erstmals mit hoher räumlicher Auflösung Methanemissionen aus natürlichen und menschengemachten Quellen zu kartieren.“
Ein weiteres Forschungsgebiet der Gruppe Nichtlineare Optiken und abstimmbare Laser unter der Leitung von Dr. Bernd Jungbluth sind Komponenten und Baugruppen für die Quantenkommunikation. Dazu gehören Quellen für verschränkte Photonen, die sich für den Einsatz im Weltall eignen. Für deren satellitentaugliche Umsetzung hat das Fraunhofer ILT die optomechanische Plattform ILT Optomech entwickelt.
Nächste Generation der Luft- und Raumfahrt
Korrosion und Materialermüdung sind generelle Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrt. Das Fraunhofer ILT entwickelt deshalb laserbasierte Beschichtungstechnologien, die den Verschleiß von Bauteilen reduzieren und ihre Lebensdauer verlängern sollen. Zu den Technologien zählen neben dem LMD-Verfahren auch Dünnschichttechnologien. Besonders im Fokus stehen thermische Barrieren für Triebwerke sowie Schutzschichten für Flugzeug- und Satellitenkomponenten.
Ein anderer Ansatz ist die Digitalisierung und ein verstärkter Einsatz Künstlicher Intelligenz. Dazu gehören die automatisierte Fehlererkennung in der Fertigung, die Optimierung laserbasierter Fügetechniken für neue Materialklassen und die Integration von KI in die Prozessüberwachung.
