Versandkostenfrei ab einem Warenwert von 49 €
Versandkostenfrei ab einem Warenwert von 49 €
Kork schützt Raketen vor dem Verglühen. Das klingt ungewöhnlich für ein Material, das sonst Weinflaschen abdichtet. Doch ArianeGroup beispielsweise setzt ein korkbasiertes Thermal Protection System seit über 40 Jahren ein. Auch die NASA verwendet es auf dem Space Launch System der Artemis-Kampagne. Und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat den Einsatz an Höhenforschungsraketen systematisch erprobt und dokumentiert. Dieser Artikel erklärt, warum das so ist.
Wenn eine Rakete in die dichten unteren Schichten der Atmosphäre beschleunigt oder ein Raumfahrzeug beim Wiedereintritt auf die Erde trifft, wird die Oberfläche thermisch extrem belastet. Die Ursache ist nicht in erster Linie Reibung, wie oft vereinfacht dargestellt, sondern adiabatische Kompression: Die Luft vor dem Fahrzeug wird so stark zusammengedrückt, dass sie auf mehrere tausend Grad erhitzt und ionisiert wird. Es entsteht ein Plasma-Schockfeld, das Wärmeströme erzeugt, die jede ungeschützte Metallkonstruktion in Sekunden zerstören würden.
Die Aufgabe eines Hitzeschilds ist es, diese Energie von der tragenden Struktur fernzuhalten. Entweder durch Reflexion und Absorption, bei wiederverwendbaren Systemen, oder durch aktiven Materialabtrag, bei ablativen Systemen. Welcher Ansatz sinnvoll ist, hängt von Missionstyp, Eintrittsgeschwindigkeit und zulässiger Masse ab.
Hitzeschutzsysteme sind übrigens keine neue Erfindung der Raumfahrt. Die Grundlagenentwicklung begann in den 1950er Jahren mit ballistischen Interkontinentalraketen: Deren Gefechtskopf musste beim Wiedereintritt Temperaturen standhalten, die denen bemannter Raumkapseln ähneln. Die dort entwickelten ablativen Materialien bildeten die Basis für Apollo, Sojus und alle späteren Systeme.
Ablative Hitzeschilde funktionieren nach einem Prinzip, das man als kontrollierte Selbstzerstörung beschreiben kann. Das Material wird durch die einströmende Wärme schrittweise abgetragen, gibt dabei aber Energie ab und kühlt so die darunter liegende Struktur. Der Prozess läuft in mehreren Phasen ab.
Zunächst pyrolysiert das Material: Es zerfällt bei hohen Temperaturen unter Abspaltung von Gasen. Diese Pyrolysegase strömen durch die entstehende poröse Verkohlungsschicht nach außen, nehmen dabei Wärme mit und kühlen die Grenzschicht zusätzlich. Schließlich sublimiert oder verdampft das Material an der Außenfläche und transportiert die verbleibende Energie direkt in die heiße Gasströmung. Die Verkohlungsschicht, die nach dem Pyrolyseprozess zurückbleibt, wirkt anschließend als thermische Barriere und verlangsamt das weitere Eindringen der Wärmefront.
Wiederverwendbare Hitzeschilde, wie die Kacheln des Space Shuttle, arbeiten anders: Sie bestehen aus keramischen Glasfaserwerkstoffen sowie kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) an den am stärksten belasteten Stellen wie Nasenspitze und Flügelvorderkanten. Sie halten Wärme fern, ohne abgetragen zu werden. Das erlaubt Wiederverwendung, erfordert aber aufwändige Inspektion und Wartung nach jedem Flug.
Das Ausmaß der möglichen thermischen Belastungen zeigt ein Extrembeispiel: Die NASA-Sonde Galileo trat 1995 mit rund 47 km/s in die Atmosphäre des Jupiters ein. Das entspricht etwa dem 138-fachen der Schallgeschwindigkeit. Die dabei entstehenden Temperaturen im Schockfeld erreichten ungefähr 15.700 °C bei einer Wärmestromdichte von 43 kW/cm². Für Erdanwendungen bleiben die Belastungen deutlich niedriger, aber auch beim Start einer Ariane-Rakete oder beim Wiedereintritt eines CubeSat sind ohne Schutzmaßnahmen strukturelle Schäden sicher.
Kork besteht aus den abgestorbenen Rindenzellen der Korkeiche (Quercus suber). Jeder Kubikzentimeter enthält rund 40 Millionen luftgefüllte Zellen. Die Zellwände bestehen hauptsächlich aus Suberin, einem natürlichen hydrophoben Biopolymer, das Wasser, Gase und Fette nahezu vollständig absperrt und von Natur aus schwer entflammbar ist.
Diese Zellstruktur macht Kork zu einem der schlechtesten natürlichen Wärmeleiter. Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 0,06 bis 0,07 W/(m·K). Aluminium, das meistverwendete Strukturmaterial in der Raumfahrt, leitet mit etwa 210 W/(m·K) rund 3.000-mal effektiver Wärme. Kork zwischen Außenhaut und Aluminiumstruktur bedeutet: Die Wärme kommt praktisch nicht durch.
Für Raumfahrtanwendungen wird Kork nicht als Naturmaterial in Reinform eingesetzt, sondern als technisches Komposit. Das bekannteste Produkt ist NORCOAT LIÈGE HPK FI der ArianeGroup: ein Korkgranulat-Phenolharz-Verbund, produziert von LIÈGE HPK und vermarktet von ArianeGroup. Amorim Cork Solutions bietet zwei zentrale Varianten an: P45 mit einer Dichte von 304 bis 336 kg/m³ und P50 mit 448 bis 512 kg/m³. Die spezifische Wärmekapazität liegt bei 2,1 bis 2,5 kJ/(kg·K).
Ein DLR-Forscherteam hat das Verhalten von korkbasiertem TPS am VSB-30-Höhenforschungsträger systematisch untersucht und dokumentiert. Die Ergebnisse sind präzise.
Die Pyrolyse setzt etwa 30 Sekunden nach dem Start ein, sobald die aerodynamische Erwärmung ausreichend hoch ist. In einer ersten Phase schwillt das Kork-Material um etwa 45 % auf: Interne Gasbildung weitet die Zellstruktur, erhöht die Porosität und damit die thermische Widerstandsfähigkeit. Dann bildet sich die Verkohlungsschicht, die das weitere Eindringen der Wärmefront erheblich verlangsamt.
Bei einer Schichtdicke von 2,0 mm betrug die gemessene Innentemperatur nach 60 Sekunden lediglich etwa 65 °C (338 K). Bei 1,5 mm waren es rund 84 °C (357 K). Beide Werte liegen deutlich unter der kritischen Temperatur für Aluminiumlegierungen. Die Pyrolysefront drang dabei 0,6 bis 0,7 mm in das Material ein. Die flächenbezogene Gesamtmasse der 2,0-mm-Schicht inklusive Klebeschicht lag unter 1,5 kg/m².
Die Bergung und Auswertung des Nasenkonus der MAPHEUS-6-Rakete nach dem Flug im Mai 2017 lieferte direkte Messdaten. Die geborgene Korkschicht zeigte eine Gesamtdicke von 2,90 mm: 0,15 mm Klebeschicht, 1,80 mm unbehandelter Jungfernkork und 1,10 mm verkohlte Schicht. Diese Werte stimmten gut mit den Vorhersagen überein und validierten die verwendeten Simulationsmodelle.
In der Raumfahrt ist Masse der teuerste Rohstoff. Jedes nicht benötigte Kilogramm an Schutzmaterial ist ein Kilogramm mehr Nutzlast oder ein Kilogramm weniger Treibstoff. Kork-TPS erfüllt diese Anforderung gut: Unter 1,5 kg/m² bei 2,0 mm Schichtdicke ist für ein Material mit dieser Schutzwirkung außergewöhnlich leicht.
Hinzu kommt, dass Kork-TPS direkt auf die Strukturoberfläche geklebt wird. Es braucht keine Bolzen, Rahmen oder Befestigungssysteme. Das vereinfacht die Fertigung erheblich. Der gesamte Prozess, von der Oberflächenvorbereitung über den Kleberauftrag bis zur Aushärtung unter Vakuumbeutel, lässt sich mit ein bis zwei Fachkräften durchführen.
Beim Start ist die primäre thermische Bedrohung nicht der Wiedereintritt, sondern die aerodynamische Reibungswärme im dichten unteren Bereich der Atmosphäre. Zwischen Bodenstart und dem Punkt maximalen aerodynamischen Drucks (Max-Q) entwickeln Raketen die stärkste Oberflächenerwärmung. Besonders Nasenkonus, Finnen und Motoradapter sind exponiert.
Kork-TPS wird als dünne Außenbeschichtung auf genau diese Bereiche appliziert. Der erste dokumentierte Einsatz der NORCOAT-LIÈGE-Variante an einem DLR-Träger war die MAXI-DUSTY-Mission im Juli 2016: Flossen und Motoradapter des verbesserten Malemute-Trägers wurden mit korkbasiertem TPS beschichtet. Inflight-Videoaufnahmen und Trajektoriemessungen zeigten nominales Verhalten. Kein thermischer Schaden, keine Anomalie.
Der ESA-Satellit Qarman (QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on Ablation) ist ein 3U-CubeSat, der gezielt für einen kontrollierten Wiedereintritt konstruiert wurde. Er ist der erste CubeSat überhaupt, der diesen Wiedereintritt nicht nur überstehen, sondern dabei messen soll.
Das Schutzsystem kombiniert eine äußere Kork-Hitzeschild-Schale mit einer inneren Aerogel-Wärmedämmung. Aerogel übernimmt dabei die langfristige Isolierung, während die Korkschale beim Wiedereintritt ablativ arbeitet und die ersten, extremsten Sekunden abpuffert. Vorabtests am Plasmatron des Karman-Instituts für Fluiddynamik in Belgien – einer der leistungsfähigsten Plasmatunnelanlagen Europas – bestätigten die Funktionsfähigkeit des Systems.
Das Prinzip ist dasselbe wie beim Start: Kork verkohlt kontrolliert, gibt dabei Energie ab und hält die Innenstruktur innerhalb eines unkritischen Temperaturbereichs. Der Unterschied zum Start ist die Dauer und Intensität: Der Wiedereintritt belastet das Material länger und mit höheren Spitzenwärmeströmen.
Der direkte Vorläufer von Kork-TPS bei DLR-Höhenforschungsraketen war ein epoxidbasiertes Zweikomponenten-Thermoset-Coating. Der Vergleich fiel zugunsten von Kork aus – und zwar nicht knapp.
Kork-TPS erzielte gleichwertige oder bessere Innenwandtemperaturen. Es ist leichter zu verarbeiten: Korkplatten lassen sich schneiden, kleben und fräsen, während Epoxid-Beschichtungen aufwändigere Prozessführung erfordern. Kork ist vollständig REACH-konform, also frei von Substanzen, die unter die EU-Chemikalienverordnung fallen. Und es ist deutlich umweltfreundlicher in Herstellung und Entsorgung.
Die folgende Tabelle zeigt die zentralen Unterschiede zwischen Kork-TPS, keramischen Kacheln und klassischen Epoxidharzbeschichtungen:
| Eigenschaft | Kork-TPS (P45/P50) | Keramikkachel (Shuttle) | Epoxid-TPS (klassisch) |
| Wärmeleitfähigkeit | 0,06 bis 0,07 W/(m·K) | ~0,03 bis 0,05 W/(m·K) | ~0,2 bis 0,4 W/(m·K) |
| Dichte | 304 bis 512 kg/m³ | ~128 bis 192 kg/m³ | ~1.200 bis 1.800 kg/m³ |
| Wiederverwendbar | Nein (ablativ) | Ja (mit Wartung) | Nein (ablativ) |
| REACH-Konformität | Ja | Ja | Eingeschränkt |
| Verarbeitungsaufwand | Gering (klebbar) | Hoch (Bolzen, Rahmen) | Mittel |
| Nachhaltigkeit | Sehr hoch | Mittel (Glas, Carbon) | Gering (Petrochemie) |
Kork-TPS ist keine Allroundlösung für jedes Wiedereintritts-Szenario. Bei sehr hohen Eintrittsgeschwindigkeiten und extremen Wärmeströmen, wie sie bei interplanetaren Missionen auftreten, ist die Ablationsrate zu hoch, um mit wirtschaftlichen Schichtdicken auszukommen. Für eine Apollo-Kapsel, die mit rund 11 km/s aus der Mondtrajektorie in die Erdatmosphäre eintrat, wurden Phenol-Nylon-Composites eingesetzt, die bei Extremwärmeströmen bessere Ablationseigenschaften aufweisen als Kork.
Ein weiteres Thema ist die Fertigungsqualität. Kork-TPS muss präzise verklebt werden: Lokale Haftungsdefekte können zu Hotspots führen, an denen Wärme unkontrolliert in die Struktur eindringt. Die Schichtdicke muss über die gesamte Fläche innerhalb enger Toleranzen liegen. Schleifen und Versiegelung nach der Applikation sind Pflichtschritte, keine Optionen.
Und Kork-TPS ist einmalig. Nach dem Flug ist die Schicht partiell oder vollständig verbraucht und muss erneuert werden. Für voll wiederverwendbare Träger, die viele Flüge ohne umfangreiche Wartung absolvieren sollen, sind ablative Materialien grundsätzlich weniger geeignet. Das ist keine Schwäche des Materials, sondern eine physikalische Konsequenz des Ablationsprinzips.
Bei WilliWiggle nutzen wir Kork aus denselben Gründen, die Raketenbauer überzeugen: thermische Eigenschaften, natürliche Dämpfung, Nachhaltigkeit und Langlebigkeit. Ein Material, das auf der Außenhaut einer Ariane-Rakete funktioniert, ist für den Alltag mit Hund mehr als robust genug.
Kork vereint niedrige Wärmeleitfähigkeit (0,06 bis 0,07 W/(m·K)), hohe Wärmekapazität und die Fähigkeit zur kontrollierten Ablation in einem natürlichen Material. Hinzu kommen geringe Dichte, einfache Verarbeitbarkeit und vollständige REACH-Konformität. Kork konkurriert mit synthetischen Alternativen nicht durch überlegene Einzelkennwerte, sondern durch ein überragendes Gesamtprofil aus Leistung, Gewicht, Kosten und Umweltwirkung. ArianeGroup setzt darauf seit über 40 Jahren. Die NASA hat es für das SLS der Artemis-Kampagne übernommen.
Die Temperaturen hängen stark von der Mission ab. Die Galileo-Sonde maß beim Eintritt in Jupiters Atmosphäre rund 15.700 °C. Beim Erdwiedereintritt einer Kapsel sind es typischerweise 1.600 bis 2.500 °C an der Schildoberfläche. Kork-TPS ist für die Startphase und moderate Wiedereintrittslasten ausgelegt: DLR-Messungen an MAPHEUS-6 belegen ca. 65 °C Innenwandtemperatur bei 2 mm Schichtdicke nach 60 Sekunden. Für Extrembelastungen planetarer Missionen werden spezialisierte Composites verwendet. Kork ist kein Allroundmaterial, aber für seinen Einsatzbereich präzise das richtige.
Die NASA plant P50-Kork für Artemis II bis V als eines der meistgenutzten ablativen TPS-Materialien des SLS. Die ESA forscht weiterhin an korkbasierten TPS-Lösungen für Wiedereintrittstechnologien kleiner Satelliten. Die anhaltende Nachfrage nach leichten, nachhaltigen und REACH-konformen Materialien begünstigt Kork strukturell gegenüber schweren oder regulatorisch problematischen Alternativen. Ein Material mit 40 Jahren Serienreife in der Raumfahrt und wachsender Nachfrage in einer neuen Generation von Missionen hat keine Anzeichen, obsolet zu werden.
Sie sehen gerade einen Platzhalterinhalt von Vimeo. Um auf den eigentlichen Inhalt zuzugreifen, klicken Sie auf die Schaltfläche unten. Bitte beachten Sie, dass dabei Daten an Drittanbieter weitergegeben werden.
Mehr InformationenSie sehen gerade einen Platzhalterinhalt von YouTube. Um auf den eigentlichen Inhalt zuzugreifen, klicken Sie auf die Schaltfläche unten. Bitte beachten Sie, dass dabei Daten an Drittanbieter weitergegeben werden.
Mehr InformationenSie müssen den Inhalt von reCAPTCHA laden, um das Formular abzuschicken. Bitte beachten Sie, dass dabei Daten mit Drittanbietern ausgetauscht werden.
Mehr Informationen
