Materialforschung im All Metallisches Glas wird auf der ISS untersucht

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Forschende der Universität des Saarlandes wollen Ende August metallische Gläser auf der Internationalen Raumstation untersuchen. Schwebende, bis zu 1700 Grad heiße Tropfen sollen präzise Daten zu den Eigenschaften der Legierungen liefern.

Das Forschungsteam um Ralf Busch plant ab dem 31. August Experimente mit metallischen Gläsern auf der Internationalen Raumstation ISS. In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) analysieren die Forschenden im Columbus-Modul schwebende Tropfen aus Nickel-Niob- und Nickel-Niob-Schwefel-Legierungen. Ziel ist es, die physikalischen Eigenschaften der Materialien unter Schwerelosigkeitsbedingungen genauer zu bestimmen und die Legierungen für künftige Anwendungen weiterzuentwickeln. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die ESA unterstützen das Projekt.

Warum die Tropfen schweben müssen

Die Experimente nutzen die scheinbare Schwerelosigkeit an Bord der ISS. Die Raumstation befindet sich in etwa 400 Kilometern Höhe und fällt aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit permanent um die Erde. Dadurch herrscht in ihrem Inneren ein annähernder Zustand des freien Falls, in dem Gegenstände und Flüssigkeiten scheinbar schweben.

Diese Bedingungen benötigt das Forschungsteam, um die geschmolzenen Legierungen als frei schwebende Tropfen untersuchen zu können. Auf der Erde müssen solche Tropfen durch elektromagnetische oder elektrostatische Kräfte in Position gehalten werden. Das beeinflusst die Messungen stärker als die geringen Kräfte, die auf der ISS erforderlich sind.

Metallisches Glas ist ein Werkstoff, dessen Atome beim Erstarren keine regelmäßige Kristallstruktur bilden. Die Legierung erstarrt stattdessen mit einer ungeordneten, amorphen Struktur, ähnlich wie Glas. „Klassische Metalle haben eine kristalline Struktur, ihre Atome sind angeordnet in einem Gefüge“, erklärt Busch. Bei metallischen Gläsern seien die Atome dagegen ungeordnet.

Legierungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Metallische Gläser sind nicht spröde wie herkömmliches Glas. Viele dieser Legierungen sind fest und zugleich elastisch. Bei erhöhten Temperaturen lassen sie sich außerdem ähnlich wie Kunststoffe formen. Dadurch kommen Verfahren wie Spritzgießen oder Metall-3D-Druck für ihre Verarbeitung infrage.

Busch und sein Team entwickeln die Zusammensetzung der Legierungen so, dass sie bestimmte Eigenschaften erhalten.

Es dauert Jahre, eine solche Legierung zu entwickeln. Wir designen sie in einem vieldimensionalen Konzentrationsraum, um die Kristallisation zu verlangsamen und die richtigen Eigenschaften einzustellen.

Ralf Busch, Materialforscher

Mögliche Anwendungen liegen unter anderem in Motoren und Maschinen, in der Elektromobilität sowie in der Luft- und Raumfahrt. Denkbar sind beispielsweise verschleißfeste Komponenten, leistungsfähige Bauteile für den Metall-3D-Druck oder besonders belastbare Schrauben. Buschs Arbeitsgruppe hält mehrere Patente auf neuartige metallische Gläser.

Messungen im Elektromagnetischen Levitator

Im Mittelpunkt der ISS-Versuche stehen eine Nickel-Niob-Legierung sowie eine Nickel-Niob-Schwefel-Legierung. Die erste Zusammensetzung wurde bereits 1967 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entdeckt. Die zweite stammt aus Buschs Labor an der Universität des Saarlandes.

Die Proben werden im Elektromagnetischen Levitator (EML) des Columbus-Moduls untersucht. Das Gerät erzeugt ein elektromagnetisches Feld, in dem die Metallkügelchen schweben und ohne Schmelztiegel erhitzt werden können. Die Tropfen erreichen dabei Temperaturen von bis zu 1700 Grad Celsius.

Während der Experimente messen die Forschenden unter anderem die Oberflächenspannung, die Viskosität, das Ausdehnungs- und Unterkühlungsverhalten, die Schwingungen sowie die Wärmekapazität der Legierungen. „Die Legierung ist sehr reaktiv, wir brauchen auf der ISS keinen Schmelztiegel, um die Kugeln zu verflüssigen“, sagt Busch. Die eigens am Saarbrücker Campus hergestellten Kügelchen wurden vor dem Transport zur ISS auf der Erde getestet und zertifiziert. Damit soll sichergestellt werden, dass von den Proben während der Experimente keine Gefahr für die Raumstation ausgeht.

Steuerung aus dem Kontrollzentrum

Die Messungen werden aus dem Kontrollzentrum des DLR in Köln gesteuert. Lucas Eisenhut, Doktorand in Buschs Arbeitsgruppe, verfügt über eine Woche Messzeit auf der ISS. Gemeinsam mit Dr. Fan Yang vom DLR passt er die Versuchsparameter an und überwacht die Abläufe.

„Die ISS sendet Live-Videos an das Kontrollzentrum, dadurch können wir die Experimente live beobachten. Wir können unsererseits Echtzeitbefehle direkt an das Gerät auf der ISS senden, um Prozessparameter anzupassen und Einfluss auf Probe und Versuch zu nehmen“, sagt Eisenhut.

Mehr Zeit für präzise Messungen

Die Forschenden haben die Experimente über mehrere Jahre vorbereitet. Sie ließen die heißen Tropfen unter Vakuum in elektromagnetischen und elektrostatischen Feldern schweben und untersuchten sie am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) mit Röntgenstrahlung. Auch bei Parabelflügen testete das Team die Legierungen. Dort standen pro Flug jedoch nur etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit zur Verfügung.

„Wir erwarten erheblich präzisere Untersuchungsergebnisse, als es bislang auf der Erde möglich ist. Die Kraft, die wir brauchen, um die Schwerkraft zu überwinden, damit der Tropfen auf Position bleibt, ist hier am Boden um vieles größer als auf der ISS“, erläutert Busch. Auf der Raumstation können die Forschenden mehrere Experimentzyklen von bis zu 45 Minuten pro Tag durchführen. Dadurch steht deutlich mehr Messzeit zur Verfügung als bei Parabelflügen.

Mit den neuen Daten wollen sie die Zusammensetzung und Verarbeitung metallischer Gläser weiter verbessern. Mögliche Anwendungen liegen in der Raumfahrt, der Medizintechnik und bei Hochleistungsbauteilen. Eine weitere Testreihe mit Palladium-Nickel-Phosphor-Legierungen ist bereits in Vorbereitung. An dem Projekt sind neben der Universität des Saarlandes auch die Universität Münster und das DLR beteiligt.