Forschende der Empa und der Europäischen Weltraumorganisation ESA arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von metallischen Gläsern. Diese innovativen Materialien, bekannt für ihre extreme Härte und Elastizität, werden unter den einzigartigen Bedingungen der Mikrogravitation auf der Internationalen Raumstation (ISS) untersucht. Ziel ist es, ihre Herstellung zu optimieren und neue Anwendungen in der Medizin, Weltraumtechnologie und Uhrenindustrie zu erschliessen.
Wichtige Erkenntnisse
- Metallische Gläser sind härter als Quarzglas und gleichzeitig elastisch.
- Ihre Herstellung ist komplex, da Metalle zur Kristallisation neigen.
- Die Schwerelosigkeit auf der ISS ermöglicht präzisere Experimente an flüssigen Metallen.
- Die Empa forscht in Zusammenarbeit mit der ESA und Industriepartnern wie der Schweizer PX Group.
- Anwendungen reichen von Satellitenmechanismen bis zu Uhrenkomponenten.
Das Rätsel der amorphen Metalle
Metalle sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Sie finden sich in Bauwerken, Elektronik oder Schmuck. Meistens liegen sie in einer geordneten, kristallinen Struktur vor. Doch was passiert, wenn sich Metallatome nicht in klaren Mustern anordnen? Kühlt man bestimmte Legierungen sehr schnell aus der Schmelze ab, entsteht eine ungeordnete, amorphe Struktur. Diese ähnelt der von Glas, weshalb man von «metallischen Gläsern» spricht.
Diese Materialien faszinieren die Forschung seit langem. Sie sind extrem hart, vergleichbar mit Quarzglas, und ihre Oberfläche ist widerstandsfähig gegen Kratzer und Korrosion. Im Gegensatz zu herkömmlichem Glas sind metallische Gläser jedoch elastisch. Sie kehren nach Verformungen in ihre ursprüngliche Form zurück, was sie von gewöhnlichen Metallen unterscheidet.
Interessanter Fakt
Metallische Gläser werden oft als der «heilige Gral der Metallurgie» bezeichnet, da sie eine einzigartige Kombination aus Härte, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit bieten.
Herausforderungen bei der Herstellung
Die Herstellung von metallischen Gläsern stellt Forschende vor grosse Schwierigkeiten. Metalle streben von Natur aus ihre kristalline Form an. Besonders bei grösseren Komponenten ist es eine Herausforderung, die amorphe Struktur zu bewahren. Der Kontakt mit einem Schmelztiegel kann eine ungewollte Kristallisation auslösen und das gesamte Experiment gefährden.
«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.»
Um dies zu vermeiden, müssen die flüssigen Metalltröpfchen in der Schwebe gehalten werden. Auf der Erde kann dies durch starke elektromagnetische Felder erreicht werden. Allerdings verformt die Schwerkraft die runden Tröpfchen, was die Messungen verfälscht.
Forschung in der Schwerelosigkeit
Genau hier kommt die Internationale Raumstation ISS ins Spiel. Forschende des Empa-Zentrums für Röntgenanalytik, unter der Leitung von Antonia Neels und Damien Terebenec, nutzen die Mikrogravitation im Rahmen des ESA-Projekts «THERMOPROP». In der nahezu schwerelosen Umgebung der ISS können sie die physikalischen Eigenschaften von flüssigen metallischen Gläsern präzise untersuchen, ohne störende Einflüsse der Schwerkraft.
Parallel dazu finden an der Empa in Dübendorf Versuche statt. Hier analysieren Neels, Terebenec und ihr Team die Struktur der metallischen Gläser mit verschiedenen Röntgentechniken. Die gewonnenen Daten von der ISS und aus den Laboren fliessen in Computersimulationen ein. Diese Simulationen helfen, industrielle Herstellungsprozesse zu entwickeln und zu optimieren.
Hintergrund: Die Internationale Raumstation (ISS)
Die ISS ist eine bemannte Raumstation, die in einer niedrigen Erdumlaufbahn kreist. Sie dient als Forschungslabor für Experimente in Biologie, Physik, Astronomie, Meteorologie und Materialwissenschaften, die von der Mikrogravitation profitieren.
Praktische Anwendungen und Industriepartnerschaften
Die Forschung ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern hat auch direkte praktische Auswirkungen. Das Schweizer Unternehmen PX Group aus La Chaux-de-Fonds ist ein Industriepartner in diesem Projekt. PX Group stellt metallische Gläser für die Uhrenindustrie her. Dort werden die harten, aber biegsamen Materialien für präzise Mechanismen und robuste Gehäuse eingesetzt.
Antonia Neels betont den direkten Nutzen: «Unser Partner konnte unsere Erkenntnisse aus dem Projekt bereits in verbesserte Herstellungsprozesse einfliessen lassen.» Dies zeigt, wie Grundlagenforschung im Weltall zu konkreten Produktverbesserungen auf der Erde führt.
Metallische Gläser für den Weltraum
Das Wissen aus der Forschung fliesst auch zurück in den Weltraum selbst. Metallische Gläser eignen sich hervorragend für Anwendungen an Bord von Raumschiffen und Satelliten. Ihre Elastizität und Widerstandsfähigkeit ermöglichen die Konstruktion von zuverlässigen Mechanismen, die über lange Zeit wartungsfrei funktionieren müssen.
In einem zweiten Projekt mit der ESA, genannt «SESAME», setzen Empa-Forschende Materialproben den extremen Bedingungen des Weltalls aus. Im November 2024 flog der Versuch zur ISS und wurde im Dezember an der Aussenseite des europäischen Labormoduls «Columbus» installiert. Er enthält Materialproben von 15 europäischen Forschungsinstitutionen, darunter auch das metallische Glas des Empa-Teams.
Nach etwa einem Jahr im Weltall sollen die Proben zur Erde zurückkehren und analysiert werden. Dies soll Aufschluss darüber geben, wie sich die Weltraumbedingungen – wie Temperaturschwankungen, Vakuum und Strahlung – auf die Materialstruktur auswirken.
«Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften.»
Die Versuche auf der ISS sind auf mehrere Phasen ausgelegt. Weitere Experimente mit flüssigen metallischen Gläsern sind für das nächste Jahr geplant. Beide Projekte sollen voraussichtlich bis zum Ende der ISS im Jahr 2030 laufen. Der Weltraum birgt noch viele Geheimnisse, die es zu erforschen gilt, und die metallischen Gläser könnten dabei eine Schlüsselrolle spielen.
Zukünftige Perspektiven
Die Forschung an metallischen Gläsern hat das Potenzial, verschiedene Industrien zu revolutionieren. Von langlebigeren medizinischen Implantaten über robustere Satellitenkomponenten bis hin zu präziseren Uhrwerken – die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien eröffnen neue Möglichkeiten. Die internationale Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen und Industrie ist dabei entscheidend, um diese Potenziale voll auszuschöpfen und die Grenzen des Machbaren weiter zu verschieben.
- Medizinische Anwendungen: Biokompatible und verschleissfeste Implantate.
- Weltraumtechnologie: Zuverlässige Mechanismen für Satelliten und Raumsonden.
- Uhrenindustrie: Präzise und kratzfeste Komponenten für Luxusuhren.
- Sportgeräte: Leichte und gleichzeitig robuste Materialien.
