2023, 3. Juniwoche, WBM-Nachrichtenempfehlung – SMB-Lager: Lager im Weltraum

„Der Weltraum ist ein riskantes Geschäft“, sagte einmal Aaron Cohen, der amtierende stellvertretende Administrator der NASA. „Ich habe jeden Start immer als eine kaum kontrollierte Explosion betrachtet.“ Da in naher Zukunft mehrere neue Weltraumprojekte erwartet werden, müssen diese Risiken unbedingt vermieden werden. Dies stellt die Ingenieure vor eine größere Herausforderung, leistungsstarke Komponenten zu entwickeln, die heftigen Shuttle-Starts und unwirtlichen Vakuums des Weltraums standhalten. Hier erklärt Chris Johnson, Geschäftsführer des Speziallagerlieferanten SMB Bearings, die entscheidende Rolle fortschrittlicher Lager auf den Reisen des Menschen über die Sterne hinaus.

Die Vereinten Nationen (UN) haben weltraumgestützte Dienste und Technologien als Schlüssel zu ihren 17 Zielen für nachhaltige Entwicklung für 2030 identifiziert. Die Weltraumtechnologie, so heißt es auf ihrer Website, wird „für das Verständnis des Klimawandels und während des gesamten Katastrophenmanagementzyklus von entscheidender Bedeutung sein“. zwei Beispiele unter unzähligen Anwendungen, zu denen der Weltraum beitragen kann.“ Das Forbes-Magazin prognostiziert für die kommenden Jahre mehrere weltraumtechnische Entwicklungen. Dazu gehören umweltorientierte Projekte wie Infrarotkameras auf Satelliten zur Überwachung der von Haushalten und Unternehmen erzeugten thermischen Emissionen sowie Satellitenbildkarten, die die Entwaldung im Verhältnis zum Kohlenstoffverbrauch messen.

Geplant seien auch kleinere Nutzlastfahrten zum Mond, fügt Forbes hinzu, und der Start weiterer Satelliten. Diese Projekte werden den Druck auf die Gerätehersteller erhöhen, geschäftskritische Maschinenkomponenten zu beschaffen und zu verwenden, die dem Vakuum des Weltraums standhalten können. Wichtige Komponenten wie Sensoren, Solarzellen, Linsen und Halbleiter sind aufgrund der ungefilterten Sonnenstrahlung extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt, was zu Ausfällen und in einigen Fällen zu Schäden in Millionenhöhe führen kann.

Diese Herausforderungen gelten auch für Lager. Ein großes Problem besteht darin, dass ultrareine Vakuumumgebungen, insbesondere solche, die durch hohe oder niedrige Temperaturen oder stark korrosive Elemente gekennzeichnet sind, die Lagerlebensdauer um erstaunliche 90 Prozent beeinträchtigen können. Einerseits haben Maschinenbauer die Leistungsanforderungen an Lager erhöht, die in erdbasierten Anwendungen wie der Lebensmittelverarbeitung und der Stahlherstellung eingesetzt werden, insbesondere um deren Leistung in stark korrosiven Umgebungen und gegen die Einwirkung von Feuchtigkeit und Chemikalien zu verbessern. Aber wie können Lager dem Vakuum des Weltraums und der steigenden Nachfrage nach ihrem Einsatz in Weltraumanwendungen standhalten?

Längeres Leben
Zu den rauen Bedingungen im Weltraum gehören anspruchsvolle Faktoren wie absolutes Vakuum, schwankende Temperaturen sowie die extremen und heftigen G-Kräfte, denen Raketenkomponenten beim Abheben ausgesetzt sind. Um diesen Bedingungen standzuhalten, sollten Lager für den Weltraum zugelassen sein – aber was bedeutet das genau?

Zunächst einmal sollten Lager für den Einsatz im Weltraum idealerweise den AS9102 Aerospace First Article Inspection-Standard erfüllen, der Prozesse zur Herstellung von Teilen abdeckt, von kleinen elektrischen Komponenten bis hin zu großen Strukturbaugruppen, die in der Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie eingesetzt werden. Dies ist Teil der AS9100-Vorschriftenreihe, die dem ISO 9001-Qualitätsmanagementsystem für die Luft- und Raumfahrt entspricht. Diese Normen stellen technische Anforderungen an das Lager selbst.

Nehmen wir zum Beispiel den Kugelkäfig – auch Käfig genannt, der die Kugeln des Lagers von der zentralen Wälzkomponente trennt. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und guten Leistung bei hohen Temperaturen kann der Käfig aus austenitischem Edelstahl AISI 304 hergestellt werden. Auch die Beschichtung von Edelstahllagern mit Polytetrafluorethylen (PTFE), einem der vielseitigsten bekannten Kunststoffe der Welt, ist von Vorteil. PTFE wird zunehmend außerhalb von Raumfahrzeugen verwendet und weist Zug-, Dehnungs-, Biege- und Schlageigenschaften auf, die in Vakuumumgebungen bis zu zehnmal besser sind als die am häufigsten verwendeten Kunststoffe auf Fluorbasis wie Tefzel (ETFE).

Auch die Lebensdauer der Lager sollte berücksichtigt werden – insbesondere, wenn sie in Wälzkörpern an Bord von Raumfahrzeugen eingesetzt werden sollen, die außerhalb der Erde über Jahre, Jahrzehnte oder auf unbestimmte Zeit einsatzbereit bleiben müssen. Hier ist die Schmierung von entscheidender Bedeutung und speziell für Raumfahrtanwendungen wurden Öle mit geringer Ausgasung und niedrigem Dampfdruck entwickelt. Synthetische flüssige Schmierstoffe aus Kohlenwasserstoffen oder Perfluorpolyethern (PFPE) werden seit mehr als 30 Jahren in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Aggressive Umgebungen
Schauen wir uns andere Materialien an: Keramik, die häufig in Wärmeschutzsystemen oder Hitzeschilden im Weltraum verwendet wird. Es hat sich gezeigt, dass Keramik extremen Temperaturschwankungen effektiv standhält – etwa wenn ein Raumschiff mit hoher Geschwindigkeit in jede Art von Atmosphäre eindringt, sei es die Erde oder der Mars. Keramik verfügt über eine ausgezeichnete Stabilität bei niedrigen und hohen Temperaturen, was bedeutet, dass sie im Weltraum und in der Kryotechnik sowie in Ofenanwendungen eingesetzt werden können.

Dies bringt uns zu Keramiklagern, die aufgrund ihrer Vor- und Nachteile oft im Schatten ihrer Pendants aus Stahllagern stehen. Zunächst die Nachteile: Die Rundheit von Keramik-Lagerringen ist nicht so gut wie die von Hochpräzisions-Stahllagern. Obwohl Keramiklager härter als Stahl sind, ist das Material auch spröder. Aus diesem Grund werden Vollkeramiklager nicht in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Werkzeugmaschinen oder Turbinen eingesetzt. Für diese Anwendungen werden Hochpräzisions-Hybridlager bevorzugt. Keramiklager sind zudem teurer.

Dennoch werden Keramiklager in aggressiven Umgebungen eingesetzt, wo andere Materialien nicht geeignet sind. Sie werden am häufigsten in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist und die extrem niedrigen oder hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Mit anderen Worten: Keramikwesen sind ideal für den Einsatz im Weltraum.

Die am häufigsten in Keramiklagern von SMB Bearings verwendeten Materialien sind Zirkonoxid (ZrO2) und Siliziumnitrid (Si3N4). Beide verfügen über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Diese Materialien haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten, was uns zu einem entscheidenden Vorteil von Vollkeramiklagern bringt: Sie können ohne Schmierung konstant mit Geschwindigkeit laufen, weshalb Si3N4 häufig in Vakuumumgebungen verwendet wird.

ZrO2-Lager können bis 400 Grad Celsius und Si3N4-Lager bis 800 Grad Celsius eingesetzt werden. Außerdem empfiehlt SMB Bearings für diese Temperaturen, dass die Lager vollrollig sind. Das bedeutet, dass das Lager keinen Kugelkäfig besitzt und stattdessen der Freiraum den Einbau zusätzlicher Kugeln ermöglicht. Diese Vergrößerung der Kugelbestückung ermöglicht eine deutliche Steigerung der radialen Tragfähigkeit, obwohl die Höchstgeschwindigkeit stark reduziert wird. Bis etwa minus 200 Grad Celsius weisen Keramiken bei Verwendung eines geeigneten Käfigs auch eine hervorragende Tieftemperaturbeständigkeit auf.

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer vakuumkompatiblen Eigenschaften werden Siliziumnitrid-Lager bei Anwendungen in der Weltraumforschung eine große Rolle spielen. Sie kommen insbesondere Satelliten und Raumfahrzeugen zugute, die optimale Gewichtskapazitäten benötigen, um eine verbesserte Flugdynamik und Beschleunigung zu erreichen. Diese Speziallager werden zusammen mit ihren Gegenstücken aus Edelstahl von entscheidender Bedeutung sein, um sicherzustellen, dass der nächste große Sprung für die Menschheit alles andere als riskant wird.