Wie Projekt FENRIR mit Xometry eine Freifallplattform für Mikrogravitation entwickelte

Raumfahrtforschung für alle zugänglicher machen

Projekt FENRIR wurde an der Luleå University of Technology (LTU) in Schweden im Rahmen des REXUS/BEXUS-Programms gegründet, einer gemeinsamen Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Swedish National Space Agency (SNSA), unterstützt von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Dieses Programm bietet Studierenden aus ganz Europa die Möglichkeit, eigene Experimente für suborbitale Forschungsraketen zu entwerfen, zu bauen und zu starten, wodurch sie wertvolle praktische Erfahrungen in der Luft- und Raumfahrtforschung sammeln können.

Das Team besteht aus einer interdisziplinären Gruppe von LTU-Studierenden, die in fünf Fachbereichen arbeiten: Mechanik, Elektronik, Software, Wissenschaft & Nutzlast sowie Management. Seit der Gründung waren 25 Mitwirkende beteiligt, derzeit arbeiten 16 Mitglieder vor Ort in Kiruna, Schweden. Gemeinsam stellen sie sich komplexen ingenieurtechnischen Herausforderungen, um eine wiederverwendbare Plattform für künftige Missionen zu entwickeln.

Die Mission des FENRIR-Teams ist es, eine kosteneffiziente und flexible Plattform für Mikrogravitationsforschung bereitzustellen, basierend auf früheren Erfolgen der LTU. Die Freifall-Einheit (FFU) wird auf dem Höhepunkt des Raketenfluges (~80 km) ausgestoßen und bietet etwa 70 Sekunden reduzierte Schwerkraft für wissenschaftliche Experimente. Diese Struktur ermöglicht es künftigen Forschenden, sich ausschließlich auf ihre Experimente zu konzentrieren, ohne eine eigene Plattform von Grund auf neu entwickeln zu müssen.

Für die Bergung nach dem Experiment ist die FFU mit einem gesteuerten Fallschirmsystem ausgestattet. Dank der modularen Bauweise und Technologien wie dem Attitude Stabilisation System (ATSS) und der PCM-Nutzlast bietet sie eine flexible Plattform für Mikrogravitationsstudien.

FENRIR knüpft an frühere Projekte der Luleå University of Technology (LTU) an, insbesondere an das ASTER-Projekt, das Teil des REXUS/BEXUS-Programms war – einer europäischen Studierendeninitiative für suborbitale Forschung.Das Ziel von ASTER war die Entwicklung einer präzisen Lageregelung für Free-Falling Units. Während ASTER den Fokus auf eine hochkontrollierte Stabilisierung der Ausrichtung legte, setzt FENRIR auf Modularität. Dadurch können Forschende verschiedene wissenschaftliche Nutzlasten flexibel integrieren und anpassen, ohne die gesamte Plattform neu entwerfen zu müssen.

Das FENRIR-Team arbeitet an der Free-Falling Unit (FFU) und führt elektronische Diagnosen sowie die Systemintegration durch. Die CNC-gefertigte Aluminiumstruktur und die internen Elektronikkomponenten werden getestet, um eine optimale Leistung vor dem Start sicherzustellen.©

ATSS: Stabilisierte Mikrogravitationsbedingungen

Eine der Kerninnovationen von FENRIR ist das Attitude Stabilisation System (ATSS), das die Winkelgeschwindigkeit während des Abstiegs minimiert, um eine stabile Mikrogravitationsumgebung für Experimente zu gewährleisten. Das ATSS nutzt drei reaktionsgesteuerte Schwungräder, die den Drehimpuls ausgleichen und die Rotation der FFU reduzieren.

Durch die Reduktion der Rotationsbewegung verbessert das ATSS die experimentellen Bedingungen und ermöglicht präzisere Mikrogravitationsstudien. Im Gegensatz zu früheren Systemen, die komplexe Lageregelungen erforderten, sorgt der FENRIR-Ansatz für Stabilität, während die Plattform flexibel für künftige Forschungszwecke bleibt.

PCM: Erforschung von Phasenwechselmaterialien im Weltraum

Die FFU beherbergt auch eine Nutzlast mit Phasenwechselmaterialien (PCM), die untersucht, wie Materialien unter Mikrogravitation zwischen festen und flüssigen Zuständen wechseln. PCM-Technologie wird in thermischen Regelungssystemen von Raumfahrzeugen eingesetzt, um Wärme zu speichern und abzugeben. Doch ihr Verhalten in Schwerelosigkeit ist noch nicht vollständig erforscht.

Um diese Wissenslücke zu schließen, entwickelte das FENRIR-Team ein spezielles PCM-Experimentmodul mit folgenden Komponenten:

• Ein transparentes Beobachtungsfenster, das es an Bord befindlichen Kameras ermöglicht, den Phasenübergang aufzuzeichnen.
• Ein Kupferdach und eine Heizplatte, die gezielt Phasenübergänge auslösen.
• Vier interne Temperatursensoren, die die Wärmeverteilung und das Phasenwechselverhalten in Echtzeit überwachen.

Das PCM-Experiment liefert wichtige Erkenntnisse zur Wärmeleitung im Weltraum – ergänzt durch die Stabilisierung des ATSS. Diese Forschung trägt zur Weiterentwicklung thermischer Kontrollsysteme für Raumfahrzeuge und zur Mikrogravitationsforschung bei.

Durch die Integration der ATSS- und PCM-Nutzlasten schafft FENRIR eine vielseitige Plattform für zukünftige Mikrogravitationsexperimente. Dank der modularen Architektur können Wissenschaftler ihre Forschung vorantreiben, ohne für jedes neue Experiment ein komplett neues System entwickeln zu müssen.

Präzisionsgefertigte Komponenten von Xometry, darunter CNC-gefräste Aluminiumplatten und maßgeschneiderte Motorhalterungen, spielen eine entscheidende Rolle für die strukturelle Integrität und die Leistungsfähigkeit der Free-Falling Unit (FFU) von Projekt FENRIR.©

Wie Xometry FENRIRs Vision zum Leben erweckte

Für die Fertigung der FFU benötigte das FENRIR-Team präzise Bauteile mit engen Toleranzen und kurzen Lieferzeiten – Herausforderungen, die Xometry als Fertigungspartner erfolgreich löste. Durch CNC-Bearbeitung und fortschrittlichen 3D-Druck lieferte Xometry essenzielle FFU-Komponenten, die den strengen Anforderungen der Raumfahrt entsprechen und gleichzeitig die Produktionszeiten erheblich verkürzen konnten.

„Die Unterstützung unserer Partner war entscheidend, um die Herausforderungen bei der Entwicklung einer so komplexen Plattform zu bewältigen“, sagt Eric Almqvist, Leiter der mechanischen Abteilung von Projekt FENRIR. Durch die Instant Quoting Engine erhielt das Team sofortiges Feedback und konnte seine Designs gezielt anpassen.

Das FENRIR-Team musste Materialien wählen, die leicht, aber stabil genug für die Missionsanforderungen sind.  Die Bauteile mussten starken Vibrationen während der Mission standhalten und gleichzeitig das Gesamtgewicht der Nutzlast minimieren. Zudem war eine elektromagnetische Abschirmung der Leiterplatten erforderlich, um Funkstörungen und Interferenzen mit den Bordelektroniken zu vermeiden.

Zunächst fertigte das Team die Prototypen intern und optimierte das Design nach den spezifischen Anforderungen des Projekts. Anschließend unterstützten die Ingenieure von Xometry bei der finalen Designverfeinerung, um eine effiziente Produktion sicherzustellen. Die von Xometry gefertigten Teile werden tatsächlich an Bord der REXUS-34-Höhenforschungsrakete fliegen und erfüllen die strengen Standards für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Xometry stellte mehrere Schlüsselkomponenten für das Attitude Stabilisation System (ATSS) und andere Subsysteme her, darunter:

• CNC-gefräste Aluminium-Wandplatten, die die strukturelle Hülle der FFU bilden und ein elektromagnetisch isolierendes PCB-Gehäuse enthalten, um Elektronik vor Interferenzen zu schützen.
• Eine CNC-gefertigte Halteklammer aus Edelstahl, die eine 3-kg-Nutzlast bei einer Rotationsfrequenz von 4 Hz stabil sichert.
• Ein CNC-gefertigtes Rotor-Rad, essenziell für das Reaktionsradsystem innerhalb des ATSS.
• Eine DMLS-3D-gedruckte Motorhalterung, optimiert für ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis unter Mikrogravitation.

Durch die Kombination aus CNC-Bearbeitung und modernem 3D-Druck konnte das FENRIR-Team maßgeschneiderte Bauteile beschaffen, die sowohl fertigungstechnische als auch leistungsbezogene Anforderungen erfüllen. Dank der Fertigungsdienstleistungen von Xometry konnte das Team seine Designherausforderungen erfolgreich bewältigen – und das im vorgesehenen Zeitrahmen.

Präzisionsfertigung für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Das FENRIR-Team nutzte Xometrys Instant Quoting Engine, um den Designprozess zu optimieren. Durch sofortiges Feedback und Kostenschätzungen konnten sie ihre Konstruktionen gezielt auf Fertigbarkeit auslegen und gleichzeitig das Budget einhalten.

„Die Instant Quoting Engine hat uns geholfen, Fertigungsprozesse schnell zu vergleichen und unsere Designs effizient zu finalisieren“, erklärt Almqvist. „Für einfachere Bauteile sparte uns das System viel Zeit, während komplexere Komponenten von den technischen Reviews durch Xometrys Ingenieure profitierten.“

Die Bauteile von Xometry passten perfekt in die Endmontage und entsprachen den hohen Luft- und Raumfahrtstandards.  Diese Präzision beschleunigte den Projektzeitplan erheblich, sodass das Team früher als geplant mit Tests und der Integration beginnen konnte.

„Wir waren beeindruckt, wie reibungslos der gesamte Prozess von der Angebotserstellung bis zur Lieferung verlief“, so Almqvist. „Xometrys Fähigkeit, hochwertige Bauteile termingerecht zu liefern, war entscheidend für unseren Erfolg.“

Finale Vorbereitungen und Zukunftspläne

Der Start von REXUS 34 ist für März 2025 geplant, und das FENRIR-Team befindet sich in den finalen Vorbereitungen, um sicherzustellen, dass die Plattform missionsbereit ist. Nach dem Flug werden sie die experimentellen Ergebnisse auswerten und ihre Erkenntnisse veröffentlichen, um zur Mikrogravitationsforschung und Raumfahrttechnologie beizutragen.

Obwohl Projekt FENRIR sich seinem Abschluss nähert, bleibt das Team davon überzeugt, dass Xometry künftigen LTU-Projekten zugutekommen wird. „Die Unterstützung von Xometry war unschätzbar, und wir sind sicher, dass andere Teams an der LTU ebenfalls von ihren Dienstleistungen profitieren werden“, schließt Almqvist.

Website: https://project-fenrir.netlify.app/

Kontakt: fenrir.ltu@gmail.com