Ein Wissenschaftsteam der Universität des Saarlandes untersucht vom 31. August bis zum 4. September neuartige Metalllegierungen an Bord der Internationalen Raumstation (ISS). Unter der Leitung des Werkstoffwissenschaftlers Ralf Busch analysieren die Forscher flüssige Tropfen sogenannter metallischer Gläser im ESA-Labormodul Columbus. Die Steuerung der Experimente erfolgt vom Kontrollzentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln aus. Ziel der Versuche in der Schwerelosigkeit ist es, präzise Messdaten über das Verhalten der glühenden Schmelzen zu gewinnen, um extrem belastbare Materialien für Industrie, Raumfahrt und Elektromobilität weiterzuentwickeln.
- Saarbrücker Wissenschaftler untersuchen Nickel-Niob-Legierungen bei bis zu 1.700 Grad Celsius auf der ISS.
- Die Schwerelosigkeit ermöglicht ein behälterloses Schmelzen mittels elektromagnetischer Levitation.
- Metallische Gläser kombinieren extreme Festigkeit mit Elastizität und eignen sich für den präzisen 3D-Druck.
Schwebende Metalltropfen im Columbus-Modul ermöglichen reine Messungen
In einer Flughöhe von rund 400 Kilometern befindet sich die ISS in einem ständigen freien Fall um die Erde, wodurch im Inneren der Station eine anhaltende Schwerelosigkeit herrscht. Diese Umgebung ist für das Saarbrücker Forschungsteam von entscheidender Bedeutung: Da die untersuchten Legierungen extrem reaktionsfreudig sind, würden sie bei hohen Temperaturen sofort mit den Wänden eines Schmelztiegels reagieren und das Messergebnis verfälschen.
Im „Electromagnetic Levitator“ (EML), der 2014 vom deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst im Columbus-Modul installiert wurde, schweben die Proben völlig frei im Raum. Dort werden die in Saarbrücken gefertigten Metallkügelchen auf Temperaturen von bis zu 1.700 Grad Celsius erhitzt. Das Team um den Doktoranden Lucas Eisenhut und Dr. Fan Yang misst dabei Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Viskosität, Wärmeausdehnung, Wärmekapazität und das Erstarrungsverhalten der flüssigen Tropfen.
Ungeordnete Atome verleihen den Legierungen extreme Festigkeit
Metallische Gläser unterscheiden sich grundlegend von konventionellen Metallen. Während gewöhnliche Metalle eine geordnete, kristalline Atomstruktur besitzen, erstarren amorphe Legierungen in einem ungeordneten Zustand – ähnlich wie klassisches Fensterglas. Um diesen Effekt zu erzielen, entwickeln die Werkstoffwissenschaftler Legierungen, bei denen die Kristallbildung gezielt verlangsamt wird.
Obwohl der Begriff Glas Zerbrechlichkeit nahelegt, sind diese speziellen Legierungen stabiler als Stahl und zugleich elastisch.
Bei höheren Temperaturen lassen sich metallische Gläser wie Kunststoff verformen, weshalb sie sich ideal für Verfahren wie den Metall-3D-Druck oder den Spritzguss eignen. Neben einer Nickel-Niob-Legierung, deren Grundstein 1967 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelegt wurde, testet das Team eine am Saarbrücker Campus entwickelte Nickel-Niob-Schwefel-Variante.
Präzise All-Daten verbessern terrestrische Fertigungsverfahren
Für die Werkstoffentwicklung hat die stärkefreie Messung im Weltall eine erhebliche Bedeutung. Die Messung im Orbit impliziert für die Materialforschung, dass fundamentale physikalische Kenngrößen frei von Gravitationsstörungen ermittelt werden können. Für die industrielle Praxis bedeutet dies, dass Computermodelle zur Materialerstarrung am Boden künftig mit weit höherer Genauigkeit kalibriert werden können.
Daraus folgt eine gezieltere Auslegung neuer Werkstoffe für Hochleistungsanwendungen: In Elektromotoren können maßgeschneiderte Bauteile aus metallischen Gläsern die Energieeffizienz steigern, während sie in der Luft- und Raumfahrt als extrem belastbare Schrauben und komplexe Komponenten extremen Umweltbedingungen standhalten.
Welches Potenzial sehen Sie in der Nutzung der Raumfahrt für die Entwicklung neuer Industriewerkstoffe? Teilen Sie Ihre Meinung in den Kommentaren!
