Die europäische Raumfahrtindustrie durchläuft eine schnelle, aber stille Revolution: Anstelle giftiger Treibstoffe, die jahrzehntelang Standard waren, wendet sie sich zunehmend sogenannten „grünen“ Lösungen zu. Eines der interessantesten neuen Produkte in diesem Bereich ist ARIEL – ein neues, chemisches 250-Newton-Wasserstoffperoxid-Triebwerk, das vom spanischen Unternehmen Arkadia Space unter dem Dach des Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entwickelt wird. Es handelt sich um ein Triebwerk, das für Lageregelungssysteme (Reaction Control System – RCS) von Raketen und Raumfahrzeugen bestimmt ist und umweltfreundlicheren Treibstoff, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und wettbewerbsfähige Kosten kombiniert, wobei es auf ein Marktsegment abzielt, in dem Europa bisher kein seriell verfügbares Produkt mit diesen Leistungen hatte.

Triebwerk für präzise Raumfahrzeugsteuerung

Im Gegensatz zu Hauptantriebstriebwerken, die große Mengen an Schub erzeugen, damit eine Rakete oder ein Raumfahrzeug überhaupt in den Orbit gelangt oder den Orbit ändert, ist ARIEL als sogenanntes Lageregelungstriebwerk konzipiert. Solche Triebwerke befinden sich an verschiedenen Teilen des Raumfahrzeugs und arbeiten in kurzen Stößen oder längeren, stabilen „Zündungen“, um das Raumfahrzeug präzise zu drehen, zu stabilisieren oder in die gewünschte Richtung auszurichten. Mit seinem maximalen Schub von etwa 250 N könnte ARIEL auf der Erde einen 25 Kilogramm schweren Sack Zement in der Luft halten, was sich im Vakuum des Weltraums in eine sehr feine und kontrollierte Steuerung großer Raketen oder massiver Satelliten verwandelt.

Warum Wasserstoffperoxid Hydrazin ersetzt

Die wichtigste Besonderheit dieses Triebwerks ist die Wahl des Treibstoffs. Anstelle des klassischen Hydrazins, das jahrzehntelang der De-facto-Standard bei Weltraummissionen war, verwendet ARIEL hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid (High Test Peroxide – HTP) mit einer Reinheit von etwa 98 %. Wasserstoffperoxid zersetzt sich als Monopropellant in Gegenwart eines Katalysators zu einem heißen Gemisch aus Wasserdampf und Sauerstoff und erzeugt einen Strahl, der Schub generiert, ohne dass ein Zweikomponenten- (Bipropellant-) System erforderlich ist. Dies vereinfacht das gesamte Versorgungssystem, reduziert die Anzahl der Ventile, Rohre und Tanks und erhöht gleichzeitig die Sicherheit beim Betrieb am Boden und im Orbit.

Hydrazin ist hingegen ein extrem giftiger und krebserregender Stoff, dessen Lagerung, Handhabung und Transport teure Schutzausrüstung, spezialisierte Einrichtungen und streng regulierte Verfahren erfordern. Besatzungen auf Startrampen dürfen sich ihm nicht ohne vollständige Schutzanzüge mit eigenem Luftversorgungssystem nähern, und eventuelle Umweltverschmutzungen stellen ein ernstes Risiko dar. Deshalb sucht die Raumfahrtindustrie schon seit Jahren nach Alternativen, die die Nutzbarkeit von Hydrazin beibehalten, aber mit geringeren Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Genau diese Nische besetzt ARIEL als eines der ersten Monopropellant-Triebwerke auf Wasserstoffperoxidbasis dieser Schubklasse, die in Europa entwickelt wurden.

Schnelle Entwicklung mit Unterstützung des ESA-Programms FLPP

Das FLPP-Programm, in dessen Rahmen ARIEL entstand, ist als eine Art Inkubator für Technologien für zukünftige europäische Trägersysteme konzipiert. Die ESA unterstützt dadurch finanziell und technisch Unternehmen, die Komponenten und Subsysteme mit Potenzial für die Anwendung auf zukünftigen Raketen, Raumflugzeugen oder fortschrittlichen Weltraummissionen entwickeln. Im Fall von Arkadia Space wurde der erste Vertrag für die Entwicklung und Erprobung von ARIEL im Juni 2023 unterzeichnet, und schon sieben Monate später war das Triebwerk bereit für die erste Zündung auf dem Prüfstand. In weniger als zwei Jahren nach Vertragsunterzeichnung erreichte ARIEL nach einer Reihe von Tests den Technologiereifegrad TRL 6, was bedeutet, dass die Technologie in einer relevanten Umgebung demonstriert wurde und bereit für den Übergang zu Qualifikations- und kommerziellen Anwendungen ist.

Testzentrum in Castellón und umfangreiche Testkampagne

Die Testkampagne wurde im Arkadia Space Test Center am Flughafen Castellón in Spanien durchgeführt, wo das Unternehmen eine eigene Anlage errichtete, die speziell an die Prüfung von Triebwerken mittleren Schubs und längerer Laufzeiten angepasst ist. Der Prüfstand und die begleitende Infrastruktur müssen nicht nur kurzen Pulsen standhalten, sondern auch kontinuierlichen „Burns“ von mehreren Minuten Dauer, mit wiederholten Zünd- und Abschaltzyklen, Druck- und Temperaturänderungen sowie Messungen unter Bedingungen, die dem Vakuum des Weltraums angenähert sind. Solche Tests ermöglichen es den Ingenieuren, das Verhalten des Triebwerks präzise zu charakterisieren, das Design der Brennkammer, des Katalysatorbetts und des Injektors zu optimieren und die Zuverlässigkeit unter Bedingungen nahe dem realen Flug zu bestätigen.

Leistung des Triebwerks durch umfangreiche Tests bestätigt

ARIEL hat während dieser Kampagne eine Reihe von Schlüsselleistungen demonstriert. Es erreichte einen spezifischen Impuls in der Größenordnung von 180 Sekunden im Vakuum, was es unter den wettbewerbsfähigen „grünen“ Monopropellant-Triebwerken auf dem Markt einreiht. Das Triebwerk ist in der Lage, kontinuierlich bis zu fünf Minuten in einer Zündung zu arbeiten, ohne Anzeichen von Degradation oder Leistungsabfall, was für Manöver wie aktives Bremsen, De-Orbiting oder den Wechsel in einen anderen Orbit wichtig ist. Gleichzeitig kann es auch in sehr kurzen, extrem präzisen Stößen von nur 40 Millisekunden arbeiten, wie sie für die feine Lageregelung des Raumfahrzeugs während Phasen wie Raketenstufentrennung, Orbitalmanövern oder der Vorbereitung auf den Wiedereintritt in die Atmosphäre typisch sind.

Während der Tests absolvierte ein einzelnes Triebwerk mehr als 2000 Pulse und verbrauchte über 100 Kilogramm Wasserstoffperoxid, was eine solide statistische Basis für die Bewertung der Zuverlässigkeit bietet. Neben dem Triebwerk selbst umfasst das Projekt auch Prototypen von Treibstofftanks und ein Versorgungssystem, das im sogenannten „Blowdown“-Modus arbeiten kann: Wenn der HTP-Verbrauch steigt, geht ein Teil des Wasserstoffperoxids spontan in die Gasphase über und drückt mit seinem Druck die verbleibende Flüssigkeit in Richtung der Motorkammer. Dadurch verringert sich der Bedarf an zusätzlichem Druckgas (wie Helium), was wiederum das System vereinfacht und die Masse reduziert.

Vorteile von Wasserstoffperoxid in der Praxis

Wasserstoffperoxid als Treibstoff bringt auch eine ganze Reihe zusätzlicher Vorteile mit sich. Im Vergleich zu Hydrazin bietet HTP ein wettbewerbsfähiges Niveau des spezifischen Impulses, obwohl er in einigen Konfigurationen etwas niedriger ist, was jedoch durch eine einfachere Systemarchitektur, niedrigere Kosten und geringere Sicherheitsanforderungen kompensiert wird. Zudem ist Wasserstoffperoxid billiger, in zahlreichen Industriesektoren kommerziell erhältlich und bei angemessenen Vorsichtsmaßnahmen deutlich weniger gefährlich für Mensch und Umwelt. Im Gegensatz zu Hydrazin, das als sehr gefährlicher Abfall eingestuft wird und komplexe Entsorgungsverfahren erfordert, sind die Zersetzungsprodukte von Wasserstoffperoxid Wasser und Sauerstoff, was die gesamte Logistik erheblich erleichtert.

Aus der Perspektive der Bodeninfrastruktur bedeutet der Übergang zu Wasserstoffperoxid kürzere Missionsvorbereitungen, einen reduzierten Bedarf an speziellen Schutzanzügen und Ausrüstung, weniger administrative Barrieren und niedrigere Betriebskosten. Genau deshalb ziehen immer mehr Raumfahrtagenturen und Satellitenbetreiber „grüne“ Antriebssysteme in Betracht oder implementieren diese bereits, sei es in Form von Monopropellant-Triebwerken auf Wasserstoffperoxidbasis oder in Kombination mit anderen Brennstoffen in Hybrid- oder Bipropellant-Konfigurationen. ARIEL positioniert sich als eines der Werkzeuge, das der europäischen Industrie ermöglicht, mit diesem Trend Schritt zu halten und gleichzeitig die Abhängigkeit von externen Lieferanten von Schlüsseltechnologien zu verringern.

Technische Herausforderungen: Katalysator und additive Fertigung

Von der technischen Seite her ist die Entwicklung eines zuverlässigen Monopropellant-Triebwerks auf Wasserstoffperoxidbasis keine triviale Aufgabe. Die größte Herausforderung liegt in der Entwicklung eines Katalysatorbetts, das wiederholten Zyklen der HTP-Zersetzung, hohen Temperaturen und potenziellen Verunreinigungen standhalten muss, wobei es eine stabile Leistung über die gesamte Lebensdauer des Triebwerks beibehält. Arkadia Space hat im Rahmen des ARIEL-Projekts mit Unterstützung von ESA-Experten für Raketenantriebe die Geometrie der Kammer, die Materialwahl und die Konfiguration der katalytischen Elemente optimiert, um den Druckabfall zu verringern, lokale Überhitzungen zu verhindern und sicherzustellen, dass die Zersetzung des Treibstoffs kontrolliert und wiederholbar abläuft, von der ersten bis zur letzten Zündung.

Eine weitere wichtige Komponente beim Design von Triebwerken dieser Klasse ist die Möglichkeit des 3D-Drucks bestimmter Teile, wodurch die Anzahl der Verbindungen verringert, die Produktionszeit verkürzt und Designmodifikationen erleichtert werden. Arkadia hat einen Teil seiner Triebwerke genau mit Blick auf die additive Fertigung entwickelt, was sich mit dem allgemeinen Trend in der Raumfahrtindustrie deckt, wo immer mehr kritische Teile – von Injektoren bis zu tragenden Strukturen – auf 3D-Druckern hergestellt werden, die an die Verwendung von Hochtemperaturlegierungen angepasst sind. Ein solcher Ansatz ermöglicht auch eine leichtere Anpassung an verschiedene Konfigurationen von Raketen oder Satelliten, da bestimmte Elemente schnell neu entworfen und neu gedruckt werden können.

Vom Demonstrator zum kommerziellen Produkt

ARIEL bleibt nicht nur in der Phase des Demonstrators. Bereits im Jahr 2025 begann die Technologie, konkrete kommerzielle Anwendungen zu erhalten. Arkadia Space unterzeichnete seinen ersten vollständig kommerziellen Vertrag mit dem französischen Unternehmen MaiaSpace, das eine neue Generation europäischer kleiner, teilweise wiederverwendbarer Raketen entwickelt. ARIELs 250-N-Triebwerke wurden für das Reaktionskontrollsystem (RCS) auf ihrem Trägerfahrzeug ausgewählt, wo sie eine präzise Steuerung der Ausrichtung der Rakete nach dem Abheben, während der Phasen der Stufentrennung und der eventuellen Rückkehr von Raketenteilen zur Wiederverwendung gewährleisten werden. Für Arkadia bedeutet dieser Vertrag die Bestätigung der Reife der Technologie und den Beginn des Markteintritts als Lieferant von Schlüsselantriebskomponenten.

Nach öffentlich zugänglichen technischen Daten wird ARIEL heute mit dem Technologiereifegrad TRL 8 kategorisiert, was bedeutet, dass sich das System in einem hohen Reifegrad befindet und sehr nahe an der vollen operativen, seriellen Nutzung ist. Die Flugqualifikation ist für Ende 2025 geplant, was bei erfolgreichem Abschluss des Prozesses die Tür für eine breitere Einführung des Triebwerks auf zukünftigen Start- und Orbitalplattformen öffnen würde. Das Design des Triebwerks umfasst einen Schubbereich von ungefähr 75 bis 275 N, mit nominalen 250 N, einem minimalen Impulsbit von weniger als zehn Newton-Sekunden sowie einem verfügbaren Gesamtimpuls von mehreren hunderttausend Newton-Sekunden während der Lebensdauer, mit einer projektierten Anzahl von Pulsen von über 10.000.

Breiteres Portfolio an grünen Triebwerken von Arkadia Space

Im Hintergrund dieses kommerziellen Erfolgs steht auch ein breiteres Paket an ESA-Projekten, an denen Arkadia teilnimmt. Neben ARIEL entwickelt das Unternehmen auch kleinere Triebwerke, wie das 5-Newton-Triebwerk DARK für präzise Orbitalmanöver von Satelliten, womit das gesamte Spektrum an Bedürfnissen abgedeckt wird – von der feinen Steuerung kleiner Satelliten bis zur Bereitstellung von Stabilisierung und Steuerung von Raketen während des Starts. Das Unternehmen hat seine Antriebssysteme auf Wasserstoffperoxidbasis bereits im Orbit demonstriert, auf Missionen kommerzieller Anbieter von Weltraummüllbeseitigung und Satellitenservice, was den Status dieser Technologie als zuverlässige Option für operative Missionen weiter festigt.

Europäischer Kontext und strategische Autonomie

Auf der Ebene des gesamten Sektors hat die Verschiebung hin zu „grünen“ Antrieben auch breitere geopolitische Implikationen. Europa hat in den letzten Jahren aktiv versucht, eine größere strategische Autonomie im Weltraum zu sichern, sei es durch die Entwicklung eigener Raketen und Satellitenkonstellationen oder durch Investitionen in neue Generationen von Antriebssystemen. Die Abhängigkeit von Hydrazin-Importen und damit verbundenen Regularien, insbesondere von außerhalb der EU, ist langfristig eine Schwäche, die solche Projekte zu verringern suchen. Wasserstoffperoxid, das innerhalb Europas produziert werden kann, mit deutlich weniger regulatorischen Barrieren, passt in die neue Industrie- und Sicherheitsstrategie, und ARIEL konkretisiert diese Vision in Form eines Produkts, das in die kommerzielle Nutzung eintritt.

Der ökologische Aspekt ist nicht zweitrangig. Obwohl die Gesamtmenge an Treibstoff, die die Raumfahrtindustrie verwendet, noch nicht mit dem globalen Verbrauch fossiler Brennstoffe im Luft- oder Straßenverkehr konkurrieren kann, ist jede Technologie, die Emissionen und Risiken reduziert, ein Gewinn für die Umwelt. Lebenszyklusanalysen deuten darauf hin, dass Wasserstoffperoxid als Treibstoff die Emissionen um bis zu ca. 40 % im Vergleich zu Hydrazin reduzieren kann, wenn man die gesamte Kette von Produktion, Lagerung und Transport bis zu Nutzung und Entsorgung betrachtet. Zugleich verringert sich auch das Risiko einer Umweltkontamination in der Umgebung von Startrampen oder Testzentren, da eventuelle Leckagen zu Stoffen abgebaut werden, die natürliche Systeme leichter vertragen.

Anwendungen für Satelliten- und Raketenbetreiber

Für Betreiber von Satelliten und Startsystemen stellen ARIEL und ähnliche Triebwerke einen Weg dar, hohe orbitale Präzision mit einem akzeptableren ökologischen Fußabdruck und niedrigeren Betriebskosten zu kombinieren. Eine präzise Lageregelung ist beispielsweise für Satellitenkonstellationen im niedrigen Erdorbit entscheidend, wo jede Millisekunde des Triebwerksbetriebs den Unterschied zwischen optimaler und suboptimaler Position im Verhältnis zum Rest der Konstellation bedeuten kann. Da solche Missionen tausende und abertausende Zündungen über mehrere Jahre Betrieb erfordern, übersetzen sich Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit der Leistungen, wie sie ARIEL in Tests demonstrierte, direkt in Treibstoffeinsparungen, längere Lebensdauer des Raumfahrzeugs und stabileren Service für die Endnutzer.

Was folgt für ARIEL und Arkadia Space

In den nächsten Jahren wird eine weitere Entwicklung der ARIEL-Produktlinie erwartet, einschließlich Anpassungen an verschiedene Kundenanforderungen – von wiederverwendbaren Raketen bis zu großen Satelliten und orbitalen Servicefahrzeugen. Potenzial besteht auch für die Kombination von HTP mit anderen Brennstoffen in Hybrid- oder Bipropellant-Systemen, wo dieselbe technische Grundlage – Tanks, Ventile und ein Teil der Antriebsinfrastruktur – auch als Basis für komplexere Triebwerke mit höherem Schub dienen könnte. Aber schon jetzt, als 250-Newton-Monopropellant-Triebwerk auf Wasserstoffperoxidbasis, symbolisiert ARIEL eine neue Generation europäischer Raumfahrttechnologie, die danach strebt, Innovation, Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit zu vereinen.

Zusammenarbeit von Industrie und Agentur als Entwicklungsbeschleuniger

Die Zusammenarbeit von ESA und Arkadia Space bei diesem Projekt zeigt auch, wie europäische institutionelle Programme den Weg von der Idee zum Produkt beschleunigen können. Der Vertrag im Rahmen des FLPP gab Arkadia nicht nur finanzielle Unterstützung, sondern auch Zugang zu Experten für Raketenantriebe, Testverfahren und Standards, die über Jahrzehnte an großen europäischen Programmen wie Ariane geschliffen wurden. Eine solche Synergie ermöglicht es relativ jungen Unternehmen, übliche „Kinderkrankheiten“ zu vermeiden und bereits in frühen Entwicklungsphasen Anforderungen bezüglich Zertifizierung, Sicherheit und Integration in komplexe Raumfahrtsysteme einzubauen.

Für Arkadia Space, das erst vor wenigen Jahren gegründet wurde, ist ARIEL zugleich eine Eintrittskarte in den Club der Unternehmen, die in Europa Schlüsselantriebstechnologien bereitstellen. Nach erfolgreicher Testkampagne und Validierung in Zusammenarbeit mit der ESA stellt die Unterzeichnung des Vertrags mit MaiaSpace die Bestätigung dar, dass ihr Ansatz für „grünen“ Antrieb nicht nur technologisch, sondern auch geschäftlich Sinn macht. Da die Anzahl der Starts zunimmt und das Interesse an nachhaltigeren und sichereren Antriebsalternativen wächst, könnten Triebwerke wie ARIEL ein Standardteil europäischer Raketen und Satelliten werden, womit sich Wasserstoffperoxid definitiv als ernsthafter Ersatz für Hydrazin in vielen Anwendungen etablieren würde.