Metalle Amorphe Metalle fliegen an Bord der ISS mit

Anbieter zum Thema

EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

GGB Heilbronn GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Metallische Gläser überzeugen mit ihren Eigenschaften und eignen sich für Anwendungen im Weltraum, aber auch in der Medizin und in der Uhrenindustrie. Um ihre Eigenschaften besser zu verstehen und ihre Herstellung zu erleichtern, haben Empa-Forschende in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA mehrere Versuche an Bord der Internationalen Raumstation ISS durchgeführt.

Metalle sind vielseitige Werkstoffe und begleiten uns durch den Alltag, sei es als große Bauelemente oder winzige Komponenten in unseren elektronischen Geräten, als robuste Werkzeuge oder als eleganter Schmuck. Bei den meisten Anwendungen liegen Metalle in einer geordneten kristallinen Struktur vor, die sie beim Erstarren aus der Schmelze fast immer annehmen. Doch was passiert, wenn sich Metallatome einmal nicht in klaren Mustern anordnen? Kühlt man bestimmte Legierungen sehr schnell aus der Schmelze ab, erstarren sie in einer „ungeordneten“ – amorphen – Struktur, die derjenigen von Glas ähnelt. Deshalb werden solche amorphen Metalle auch als „metallische Gläser“ bezeichnet.

Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften.

Amorphe Metalle sind hart wie Quarzglas, und ihre glatte Oberfläche ist besonders widerstandsfähig gegen Kratzer und Korrosion. Ganz anders als Glas sind metallische Gläser aber elastisch und kehren nach Verformungen eher in ihre Ursprungsform zurück als gewöhnliche Metalle. Das macht sie zu einem begehrten Material für Anwendungen in der Medizin und in der Weltraumtechnologie.
Allerdings ist die Herstellung der metallischen Gläser bisher schwierig, denn die meisten Metalle „wollen“ am liebsten ihre natürliche kristalline Form annehmen. „Vor allem bei der Herstellung von größeren Komponenten ist es schwierig, die amorphe Struktur zu behalten“, sagt Empa-Forscher Damien Terebenec, der am Empa-Zentrum für Röntgenanalytik an metallischen Gläsern forscht.

Die Schwerkraft ausschalten

Materialforschende wie Terebenec arbeiten mit komplexen Legierungen und präzis gesteuerten Prozessen, um amorphe Metalle herzustellen. Dafür ist ein genaues Verständnis der physikalischen Eigenschaften des Materials notwendig, insbesondere in dessen flüssiger Form, in der Schmelze. Und auch das ist nicht einfach: „Man muss flüssige Metalltröpfchen in der Schwebe untersuchen, da der Kontakt mit einem Schmelztiegel eine Kristallisation des Metalls auslösen und so das gesamte Experiment gefährden kann“, erklärt Terebenec. Dies kann man etwa mittels starker elektromagnetischer Felder erreichen – aber die Schwerkraft der Erde verformt die runden Tröpfchen und verfälscht die Messungen.
Um dies zu ändern, forschen Terebenec und andere Forschende des Zentrums für Röntgenanalytik unter der Leitung von Antonia Neels auf der Internationalen Raumstation ISS. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Thermoprop“ der Europäischen Weltraumorganisation ESA, das von Neels geleitet wird, untersuchen die Forschenden die physikalischen Eigenschaften von metallischen Gläsern in der Mikrogravitation – der Beinahe-Schwerelosigkeit in der erdnahen Umlaufbahn. Zugleich laufen auch Versuche an der Empa in Dübendorf, wo Neels, Terebenec und ihre Kollegen die Struktur der metallischen Gläser mit unterschiedlichen Röntgentechniken untersuchen. „Die Daten aus den Versuchen auf der ISS fließen in Computersimulationen ein, mit denen sich wiederum industrielle Prozesse entwickeln und optimieren lassen“, so Antonia Neels.

Spritzguss

Amorphe Metallbauteile kostengünstig fertigen

Zuverlässige Mechanismen für Satelliten

Mit ihren Eigenschaften eignen sich metallische Gläser auch für Anwendungen an Bord von Raumschiffen und Satelliten. Ihre Elastizität und Widerstandsfähigkeit ermöglichten etwa die Konstruktion von zuverlässigen Mechanismen, die über lange Zeit wartungsfrei funktionieren. In einem zweiten Projekt mit der ESA setzen die Empa-Forschenden Materialproben den rauen Bedingungen im Weltall aus.
Der entsprechende Versuch namens „Sesame“ flog im November 2024 zur ISS und wurde im Dezember an der Außenseite des europäischen Labormoduls „Columbus“ installiert. Er umfasst zahlreiche Materialproben von 15 europäischen Forschungsinstitutionen. Nach rund einem Jahr im Weltall sollen die Proben wieder zur Erde zurückkehren und analysiert werden – darunter auch das metallische Glas des Empa-Teams. „Wir können einzelne Bedingungen aus dem Weltall auf der Erde simulieren, etwa Temperaturschwankungen, Vakuum oder Strahlung – aber nicht alles miteinander“, erklärt Neels. „Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften“, ergänzt Terebenec.