Wer an die Raumfahrt denkt, der hat meist Raketentriebwerke oder Astronauten vor Augen. Nur sehr selten jedoch stehen die Rohstoffe im Vordergrund, aus denen die Raumfahrzeuge tatsächlich gebaut sind. Dabei entscheidet gerade die Materialwahl darüber, ob ein Raumfahrzeug den enormen Belastungen beim Start, im Vakuum und beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre standhält.
Leicht und trotzdem extrem belastbar, das ist die entscheidende Vorgabe, denen alle eingesetzte Materialien folgen müssen und die für den Auswahlprozess letztlich entscheidend ist. Allen Beteiligten ist dabei klar, dass die größte konstruktive Herausforderung ein Balanceakt ist: maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht. Dieses übergeordnete Ziel gilt es immer und überall zu erreichen.
Aluminiumlegierungen bilden deshalb seit Jahrzehnten das strukturelle Rückgrat vieler Raumfahrzeuge, da sie ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bieten und im Vakuum korrosionsbeständig sind. Titanlegierungen kommen dort zum Einsatz, wo neben hoher Festigkeit auch extreme Hitzebeständigkeit gefragt ist, etwa an jenen Bauteilen, die beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre der großen Hitze, die durch die Reibung entsteht, ausgesetzt sind.
Schutzschichten gegen Hitze und Strahlung
Noch extremeren Temperaturen müssen die Raketentriebwerke standhalten, wo mehrere tausend Grad herrschen können. Hier kommen Superlegierungen auf Basis von Niob und Tantal zum Einsatz. Besonders die Niob-Legierung C-103, verstärkt mit Hafnium und Titan, hat sich als Standardwerkstoff für Raketendüsen und Schubkammern etabliert. Sie hält Temperaturen von weit über 1.000 Grad Celsius stand, bleibt dabei vergleichsweise leicht und lässt sich gut verarbeiten, alles Eigenschaften, die sie für hochbelastete Antriebskomponenten im All und auf der Erde praktisch konkurrenzlos machen.
Im Vakuum des Weltraums schwanken die Temperaturen an der Fahrzeugoberfläche je nach Sonneneinstrahlung extrem. Zum Schutz kommen unter anderem Wärmedämmschichten zum Einsatz, in denen Seltene-Erden-Verbindungen eine Rolle spielen können, um die Struktur des Raumfahrzeugs sowohl vor der Hitze beim Wiedereintritt als auch vor der eisigen Kälte im All zu bewahren. Ergänzend sorgen spezielle Schutzbeschichtungen dafür, dass empfindliche Elektronik und Sensoren vor der intensiven kosmischen Strahlung abgeschirmt werden. Dies ist ein Aspekt, der für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit jeder Mission entscheidend ist.
Ein unterschätzter Kostenfaktor
Aluminium und Titan sind vergleichsweise gut verfügbar, doch Refraktärmetalle wie Niob und Tantal gehören zu den kritischen Rohstoffen, deren Förderung sich auf wenige Länder konzentriert. Für die Raumfahrtindustrie bedeutet das: Wer den verlässlichen Zugang zu diesen Spezialmetallen hat, sichert sich einen strategischen Vorteil bei der nächsten Generation von Trägerraketen und Raumfahrzeugen. Die Materialwahl im Orbit ist damit am Ende auch eine Frage der Rohstoffversorgung auf der Erde.
Hinzu kommt, dass sich die Anforderungen mit jeder neuen Fahrzeuggeneration verschärfen. Wiederverwendbare Raketen, wie sie mittlerweile mehrere Anbieter im Regelbetrieb einsetzen, müssen denselben Belastungszyklus aus Hitze, Vibration und mechanischer Beanspruchung nicht nur einmal, sondern viele Male hintereinander überstehen. Das erhöht zwangsläufig die Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit und die Langzeitstabilität der eingesetzten Legierungen zusätzlich und macht eine verlässliche Versorgung mit hochreinen Ausgangsmaterialien für die Hersteller zu einem strategischen Planungsfaktor, der weit über die reinen Materialkosten hinausgeht.
Aktuelle Preise und Nachfrage
Die Materialkosten sind zuletzt spürbar gestiegen. Aluminium notierte Ende September an der Londoner Metallbörse bei rund 3.261 US-Dollar je Tonne und damit gut 23 Prozent höher als noch vor einem Jahr. Auch dieser Preisanstieg ist eine Folge des Kriegs zwischen Israel und den USA mit dem Uran, denn die militärische Auseinandersetzung hat die Aluminiumproduktion am Golf beeinträchtigt. Sie stellte vor dem Konflikt rund ein Zehntel der Weltproduktion.
Niob und Tantal dagegen werden anders als die meisten Industriemetalle nicht an einer öffentlichen Rohstoffbörse gehandelt, sondern die Verträge werden direkt zwischen wenigen spezialisierten Förderern und den Abnehmern vereinbart. Die in den Verträgen vereinbarten Preise sind daher nicht so öffentlich sichtbar wie die von Aluminium, Kupfer oder Nickel. Sie reagieren aufgrund der Enge des Marktes jedoch besonders empfindlich auf Lieferengpässe bei den wenigen Förderländern.