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20.6.2016 - Marlis Torka

Wir bauen uns eine Rakete - der Kerzenwachs-Antrieb

Wissenschaft
Was es mit dem Kerzenwachs-Antrieb auf sich hat

ZEpHyR - ein Name, der vor nicht allzu langer Zeit durch die Medien schwirrte. Sat.1, ZEIT online und die WELT berichteten über das Projekt am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen. Es ging um eine mit Kerzenwachs und Sauerstoff angetriebene Rakete. Eine Öko-Rakete also, von Studierenden des Fachbereichs Produktionstechnik konstruiert. Gearbeitet wurde unter dem Dach des STERN-Programms (Studentische Experimental-Raketen) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Für die Studierenden war die Mitarbeit bei der "ZARM Experimental Hybrid Rocket", wie ZEpHyR in vollem Namen heißt, eine Erfahrung von unschätzbarem Wert und ein wohl unvergessliches Erlebnis.

Die ZEpHyR-Rakete vor dem Abschuss am Raketenstartplatz ESRANGE
Der Moment, als dem ZARM-Team der Atem stockte. Wird ZEpHyR fliegen? Sie flog - mit Kerzenwachs. © ZARM

Vier Jahre Entwicklung, drei abgebrochene Starts und dann an einem Samstag: die pure Erleichterung am Raketenstartplatz ESRANGE im schwedischen Kiruna. ZEpHyR hob ab - und flog. Anlass für uns die Frage zu stellen, was es überhaupt heißt, in Bremen zu studieren. Welche Möglichkeiten ergeben sich für Studierende, die - hier exemplarisch am Beispiel des ZARM - die Möglichkeit bekommen, neben der Theorie im Hörsaal auch praktisch aktiv zu werden und eine Rakete zu bauen und zum Fliegen zu bringen.

Wir sprachen mit Dr.-Ing Peter Rickmers, bisher Leiter der Abteilung Space Propulsion and Energy Systems (SPES), Raumfahrtantrieb und Energiesysteme am ZARM, seit dem 1. Juni 2016 beim DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. Ebenfalls im ZEpHyR-Team und unser zweiter Gesprächspartner: Student Thomas Ganser, B.A. Produktionstechnik mit Schwerpunkt Luft- und Raumfahrt. Er war vor allem für die Konstruktion und die Antriebstests zuständig. Und er war derjenige, der den Startknopf drücken durfte.

Das ZEpHyR-Team mit der Kerzenwachs-Rakete am Raketenstartplatz ESRANGE.
Peter Rickmers (unten, 2.v.l.) und Thomas Ganser (unten, 1.v.r.) mit ihrem Team in Nordschweden am Raketenbahnhof ESRANGE. © ZARM

ZEpHyR - eine Öko-Rakete von Studierenden konstruiert

Fangen wir mit ein paar Fakten zur Rakete an. Wenn die Mischung stimmt, kann Paraffin - also Kerzenwachs - ungeahnte Kräfte entwickeln. Zusammen mit flüssigem Sauerstoff entsteht eine Treibstoffkombination, die in einer Brennkammer genügend Schubkraft und Energie freisetzt, um eine 80 kg schwere und 3,8 Meter lange Forschungsrakete mit Schallgeschwindigkeit auf mindestens 4.000 Meter Höhe zu bringen. So die Theorie. Seit dem erfolgreichen Start von ZEpHyR am 16. April 2016 wissen wir: Der Hybrid-Raketenantrieb entwickelte sechs Megawatt thermische Leistung über 25 Sekunden - umgerechnet 8.100 PS. 1.500 Meter flog ZEpHyR hoch. Dann fiel sie runter - und verschwand. Ohne GPS-Signal verloren in der Weite Schwedens, bedeckt vom dortigen Schnee. Die Suche nach der berühmten Nadel im Heuhaufen. Doch Anfang Juni die wunderbare Nachricht: Die Rakete wurde gefunden.

Das ZEpHyR-Team bei der Startvorbereitung am Raketenstartplatz ESRANGE.
Für mehrere Wochen war dies der letzte Blick auf die Rakete - denn nach dem erfolgreichen Start von ZEpHyR musste erst einmal nach ihr gesucht werden. © ZARM

Herr Rickmers, Herr Ganser, die Rakete wurde gefunden, das Bangen hat ein Ende. Wie geht's jetzt weiter?

Rickmers: Glücklicherweise haben wir schon während des Flugs die wichtigsten Daten gesichert, sodass wir mit der Auswertung nach unserer Ankunft in Bremen direkt beginnen konnten. Auf der Rakete gibt es natürlich noch mehr Daten.

Ganser: Noch haben wir nicht alles ausgewertet, doch wir wissen: Der Motor hat eine sehr gute Leistung gezeigt. So, wie er sollte. Der Kerzenwachsantrieb hat also funktioniert. Es gab ein paar Befürchtungen, dass es zu Instabilitäten kommen könnte, aber wir können nun auf Grundlage der Daten sagen, dass das nicht passiert ist. Jetzt bin ich gespannt, wie die Rakete ausschaut. Auf jeden Fall ist es schön, sie gefunden zu haben - weil wir jetzt noch einmal sehen können, was gehalten hat und was nicht. Zum Beispiel wissen wir bereits, dass der Fallschirm nicht funktioniert hat. Es gibt aber x Möglichkeiten, warum das der Fall war. Mit ein wenig Detektivarbeit wird sich herausfinden lassen, was passiert ist.

Kerzenwachs und Flüssigsauerstoff haben als Antrieb also gut funktioniert. Wird die Idee nach Ende des STERN-Programms weiter verfolgt? 

Rickmers: Es wird ein Nachfolger-Projekt geben: STERN 2. Die Frage ist, wie viel Ressourcen zur Verfügung stehen werden, um dieses Projekt durchzuführen. Unser Antrag ist bereits geschrieben. Wir wollen auf jeden Fall weitermachen. Daher beinhaltet unser Antrag auch die Weiterentwicklung von dem, was wir bisher gelernt haben - nur so können Innovationen vorangetrieben werden. Denn diese Antriebsform ist in jedem Fall sinnvoll und sie erbringt gute Leistungen. Wenn man die ersten Kinderkrankheiten behoben hat, ist sie sicherlich auch einfacher zu handhaben als andere Varianten.

Ganser: Die von uns entwickelte Antriebsform ist gerade für studentische Projekte sehr geeignet. Denn das Gute an diesem Antriebskonzept ist, dass es eben nicht explodieren kann. Das hilft beim Testen, denn man muss nicht so viel beachten. Obwohl… man muss schon sehr viel beachten [lacht]. Aber der Antrieb kann einem nicht vollkommen um die Ohren fliegen.

Wer hatte denn überhaupt die Idee es mal mit Kerzenwachs zu probieren?

Rickmers: Es war jeder Uni freigestellt, wie sie ihre Rakete baut. Ich habe vor circa sechs Jahren über Entwicklungen in den USA gelesen. In Stanford wurde diese Wachsvariante entwickelt und wir hatten hier schon Vortests in sehr viel kleineren Skalen. Da hab ich gesagt: "Ist doch perfekt, dass wir da weiter machen können." In Europa wurde zu diesem Zeitpunkt noch ganz wenig mit Kerzenwachs experimentiert – das wird jetzt mehr. Aus den STERN-Teams sind auch die Stuttgarter mit Kerzenwachs geflogen, mit Lachgas als Oxidator. Es werden immer zwei Komponenten benötigt: Kerzenwachs und irgendetwas anderes, um es zu verbrennen. Die hatten Lachgas und wir hatten Flüssigsauerstoff. Unsere Kombination von Flüssigsauerstoff und Wachs ist von der Theorie her die leistungsfähigste und soweit ich weiß, einzigartig. Also im STERN-Projekt bisher auf jeden Fall. Und in Europa kenne ich keine Wachs-Flüssigsauerstoff-Rakete, die jemals geflogen ist. 

Was bedeutet STERN 2 für ZEpHyR konkret?

Ganser: Die Evolution kommt vor der Revolution! Wir haben angefangen mit der Paraffin-Rakete und es gibt Sachen, die wir noch besser machen können. Der spezifische Impuls ist zum Beispiel noch nicht so hoch, wie er theoretisch sein könnte. Dadurch wäre die Rakete noch leistungsfähiger. Viele Komponenten, die man einfach hätte zukaufen können, konnte man in der Größe nicht bekommen. Also haben wir sie selbst noch einmal nachentwickelt. Dass wir dies können, haben wir gezeigt.

Rickmers: Und wir würden bei STERN 2 wohl alles ein bisschen größer machen. Der kleine Maßstab war tatsächlich ein Hindernis und hat zu vielen Schwierigkeiten geführt. Was auch schön wäre einzurichten, ist eine studentische AG. Eine Arbeitsgruppe, in der sich die Studierenden untereinander organisieren und dort viel flexibler auch in ihrer Freizeit an ZEpHyR arbeiten können. Denn die, die angestellt waren, haben teilweise sehr viele Arbeitsstunden extra investiert und viel Freizeit reingesteckt. Wir haben insgesamt bei unserem ersten Mal viel Lehrgeld zahlen müssen. Die zweite Projektrunde würde sehr viel einfacher verlaufen, da wir die Erfahrung haben und genauer wissen, was es bedeutet eine Rakete von Grund auf zu entwickeln.

Studierende, die mit Spaß und viel Leidenschaft dabei sind

Neben dem Erfolg des neuartigen Raketenantriebs begeistert die Studierenden vor allem, dass sie außerhalb von Vorlesungen und Seminaren auch die Chance bekommen bei Projekten wie ZEpHyR mitzuarbeiten. Die enge Verknüpfung von Theorie und Praxis am Wissenschaftsstandort Bremen und Bremerhaven ermöglicht Einblicke in die Arbeit wissenschaftlicher Einrichtungen, die andernorts womöglich nicht gegeben sind. Allein bei ZEpHyR waren in den vier Projektjahren 40 Studierende in den unterschiedlichsten Projektbereichen involviert.

Das ZEpHyR-Team bei der gemeinschaftlichen Arbeit an der Kerzenwachsrakete
Während der vier Jahre Projektlaufzeit wurde häufig über Probleme nachgedacht und Fragen gegrübelt - und das auf Augenhöhe. Der Einsatz hat sich gelohnt. © ZARM

Wir bauen uns eine Rakete: Hier gehts zu Teil 2 und 3

Lesen Sie auch Teil 2 unserer Reihe und erfahren Sie, wie Thomas Ganser ins Team kam, wie die Zusammenarbeit zwischen den Studierenden und Peter Rickmers ablief und warum sie so gut funktionierte: "Wir bauen uns eine Rakete - von der Uni ins Weltall"

In Teil 3 nehmen wir uns den zahlreichen Medienberichten zu ZEpHyR an und fragen, ob solch ein grandioses Medienecho auch Konsequenzen für die Zukunft der Studierenden haben kann: "Wir bauen uns eine Rakete - und alle berichten darüber"


Weitere Informationen

Informieren Sie sich über weitere Themen der Luft- und Raumfahrt in Bremen hier auf den Seiten der WFB Bremen. Wissenswertes rund um die Wissenschaftslandschaft im Land Bremen erfahren Sie im Stadtportal bremen.de.

Welche Projekte und Aufgaben die WFB Wirtschaftsförderung Bremen GmbH für das integrierte Standortmarketing Bremens übernimmt, finden Sie in der Rubrik Marketing für Bremen.

Ihre Ansprechpartnerin bei der WFB zum Thema Wissenschaftsmarketing ist Marlis Torka, marlis.torka@wfb-bremen.de, Tel.: 0421 9600-523

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15.03.2016
Bremer Ingenieure tüfteln am Elektro-Antrieb der Zukunft und entwickeln einen Antrieb mit Radnabenmotor

Motor unter der Haube treibt Räder an - das ist seit mehr als hundert Jahren die Erfolgsformel für das Auto. Radnabenmotoren - der Motor im Rad und nicht unter der Haube - versprechen allerdings viele Vorteile. Der Elektroantrieb macht das möglich.

Digitalisierung / Industrie 4.0
14.03.2016
Die digitale Nebenkostenabrechnung am Flughafen Bremen

Immer mehr Unternehmen erzeugen Energie mit Blockheizkraftwerken, Photovoltaikanlagen und Kraft-Wärme-Kopplungen. Das Energiemanagement kann dabei intelligent in die Grundstücksverwaltung eingebunden werden, wie es die IT-Firma Apandia am Bremer Flughafen umgesetzt hat. Das spart Zeit und Kosten.

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