Keramik auf dem Weg ins Weltall

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Hohe Isolation und Stabilität

Üblicherweise sind die spiralförmigen Elektronenvervielfacher-Kanäle komplett aus schwarzem Bleiglas gefertigt. In Ptolemy sind sie dagegen aus einer Kombination von Bleiglas und Technischer Keramik hergestellt – der hohle Trägerkörper besteht dabei aus alkalifreiem Sondersteatit (Magnesiumsilikat), dessen Innenraum mit Bleiglas benetzt wurde. Im Gegensatz zu Detektoren, die ganz aus Glas gefertigt sind, verfügen Keramik-Glas-Detektoren über eine hohe mechanische Stabilität und über eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit. „Die keramischen Werkstoffe besitzen Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit und Formstabilität, geringer Verschleiß und gute elektrische Isolierfähigkeit, die von anderen Werkstoffen so nicht erreicht werden“, erklärt Martin Sembach, Geschäftsführer von Sembach Technical Ceramics. Verantwortlich dafür sind die hohen Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Kristalliten. Magnesiumsilikat besteht zu 90 % aus Speckstein mit Beimengungen von Ton und Flussmittel. Zur Erzielung bestimmter Werkstoffeigenschaften werden Komponenten wie Magnesiummineralien verwendet. Magnesiumsilikat hält Temperaturen zwischen -40 °C und 1200 °C stand. Im Vergleich dazu: Die Temperaturfestigkeit von Kunststoff geht bis etwa 300 °C und bei Stahl im Allgemeinen bis etwa 1000 °C.

Der keramische Tragkörper des Ptolemy-Detektors verfügt über eine hohe elektrische Isolation. Diese sorgt dafür, dass das Messsignal nicht verfälscht wird. „Wegen ihres idealen Isolationsvermögens ist die Technische Keramik als elektrischer Nichtleiter für empfindliche Messsysteme prädestiniert“, so Martin Sembach. Ebenso entscheidend für die Stabilität des Messsystems ist die Auswahl eines kaliumarmen Werkstoffs. Denn Kalium weist Isotope auf, die das Messergebnis beeinträchtigen könnten. Aus diesem Grund wurde in dieser Anwendung kaliumarme Steatitkeramik eingesetzt. Bei Technischer Keramik ist zudem die thermische Ausdehnung sehr gering. Produkte aus Technischer Keramik verfügen demnach über ausgezeichnete Formstabilität. Auch die mechanische Festigkeit ist sehr hoch. Ein Indikator hierfür ist der kritische Spannungsintensitätsfaktor (K1c). Er gibt an, wie hoch die Spannung eines Materials sein darf, bevor kritisches Risswachstum erzeugt wird. Diese Materialkonstante ist ein Maß für die Spannung, die die Keramik noch aushält, bevor Sprödbruch eintritt.

Bearbeitung zu komplexen Formen

Ein weiterer Vorteil der Technischen Keramik: Sie lässt sich leicht bearbeiten. Mit dem richtigen Verfahren können extrem kleine und speziell geformte Bauteile produziert werden. Keramik bietet eine große gestalterische Freiheit auch für komplexe Formen wie Gewinde, Hinterschneidungen oder Schrägbohrungen. Mit dem Magnesiumsilikat konnten die komplexen Formen und Windungen innerhalb der Elektronenvervielfacher-Kanäle mit einem Durchmesser von etwa 1 mm und einer Länge von etwa 50 mm überhaupt erst hergestellt werden. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren Technischer Keramik macht es möglich, dass nahezu unbegrenzte Bauteilformen und -eigenschaften erzielbar sind.

Die Technische Keramik mit ihren günstigen Materialeigenschaften ist für hochwertige technische Lösungen der ideale Werkstoff. „Wenn das Glas im Detektor zerbricht, ist das Ionenfallen-Massenspektrometer nicht mehr funktionsfähig. Dieses eine Instrument könnte die gewünschten Informationen für die Isotopenverhältnismessung nicht mehr liefern“, beschreibt Dr. Goesmann, Physiker in der Abteilung Planeten und Kometen am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, das Ausmaß einer Schädigung der Elektronenvervielfacher-Kanäle in Ptolemy ohne Technische Keramik. (qui)

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