Ein kürzlich gestarteter CubeSat erlitt Minuten nach Erreichen der Umlaufbahn einen katastrophalen strukturellen Zusammenbruch. Die Ursache war kein Einschlag oder extreme Vibration, sondern ein mikroskopisches Phänomen: die Ausgasung eines nicht zertifizierten handelsüblichen Klebstoffs. Die 3D-Forensik-Analyse ergab, dass im Klebstoff eingeschlossene Gasbläschen, sogenannte Vakuolen, sich im Vakuum ausdehnten, bis sie die Kohlenstoffverbindungen von innen heraus brachen.
Modellierung der Vakuolenausdehnung mit Siemens NX und Ansys Mechanical 🛰️
Das Ingenieurteam nutzte Siemens NX, um das Kohlefaser-Chassis und die Klebeverbindungen zu rekonstruieren. Es wurden hochauflösende Computertomographie-Daten importiert, die mit der Software Volume Graphics verarbeitet wurden, welche Mikroporen zwischen 10 und 50 Mikrometern im Klebstoff identifizierte. Diese Daten wurden in Ansys Mechanical übertragen, um das Verhalten der Vakuolen während des Übergangs ins Vakuum zu simulieren. Das Modell koppelte die Zustandsgleichung der Gase (Boyle'sches Gesetz) mit der Bruchmechanik der Verbindung. Die Ergebnisse zeigten, dass der Innendruck der Vakuolen bei Ausdehnung auf bis zu 1,2 MPa anstieg, was lokale Spannungen erzeugte, die über der Endfestigkeit des Epoxidharzes lagen. Dieser hydraulische Keileffekt breitete Risse entlang der Kohlenstoff-Klebstoff-Grenzfläche aus und ließ die Struktur innerhalb von Sekunden zerfallen.
Materialzertifizierung als Barriere gegen Ausgasung 🔬
Dieser Fall zeigt, dass eine einzige nicht-raumfahrtgeeignete Komponente jahrzehntelange Strukturdesigns zunichtemachen kann. Für Vakuum zertifizierte Klebstoffe (wie die der Serien EC-2216 oder Hysol EA-9394) haben einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von unter 0,1 %, wodurch das Risiko von Vakuolen praktisch ausgeschlossen wird. Die vergleichende Simulation mit Ansys Mechanical zeigte, dass bei Verwendung des zertifizierten Klebstoffs die Eigenspannungen unter 15 % der Dauerfestigkeit blieben. Die Lehre ist klar: Im Weltraum tötet das, was man nicht sieht, sehr wohl. Die strukturelle Integrität beginnt mit der Chemie des Klebers.
Welche numerischen Simulationstechniken ermöglichen eine genauere Vorhersage der Nukleation und Ausbreitung von Vakuolen in Aluminiumlegierungen unter Vakuum- und zyklischen Belastungsbedingungen, um katastrophale Ausfälle in Raumfahrtstrukturen wie CubeSat-Chassis zu verhindern?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)