Forschende der Empa in Thun haben eine innovative Aluminium-Polymerfolie entwickelt. Diese Folie, die bereits in Satelliten wie dem James-Webb-Weltraumteleskop zum Einsatz kommt, ist nun widerstandsfähiger und bietet neue Möglichkeiten für flexible Elektronik sowie medizinische Sensoren.
Wichtige Erkenntnisse
- Empa-Forschende entwickeln verbesserte Superisolation für den Weltraum.
- Eine fünf Nanometer dünne Zwischenschicht erhöht die Dehnbarkeit und Rissfestigkeit der Folie.
- Die neue Technologie schützt Elektronik vor extremen Temperaturschwankungen von bis zu 200 Grad Celsius.
- Anwendungen reichen von Satelliten bis zu flexibler Elektronik und medizinischen Sensoren.
Ein Sonnenschild für die Raumfahrt und darüber hinaus
Das archetypische Bild eines Satelliten zeigt oft gold- oder silberglänzende Folien. Diese sogenannte Multilayer Insulation (MLI), oder Superisolation, ist entscheidend für den Schutz empfindlicher Elektronik an Bord von Raumfahrzeugen. Sie besteht aus robusten Polymerschichten, die mit einer dünnen Metallschicht, meist Aluminium, überzogen sind. Auf der Erde finden wir ähnliche Materialien in Rettungsdecken.
Die Empa-Forscherin Barbara Putz und ihr Team am Labor «Mechanics of Materials and Nanostructures» in Thun konzentrieren sich auf die Verbesserung dieser Technologie. Ihr Ziel ist es, die Folie noch widerstandsfähiger gegen die extremen Bedingungen im Weltraum zu machen und ihre Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
Fakt: Satelliten in erdnaher Umlaufbahn erleben Temperaturunterschiede von etwa 200 Grad Celsius. Dies geschieht bis zu 16 Mal pro Tag, wenn sie zwischen Sonnenlicht und Erdschatten wechseln.
Herausforderungen im Weltraum
Die Elektronik von Satelliten funktioniert am besten bei Raumtemperatur. Die Superisolation muss daher enorme Temperaturschwankungen ausgleichen. «Für Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn beträgt der Temperaturunterschied zwischen der sonnenab- und der sonnenzugewandten Seite rund 200 Grad», erklärt Barbara Putz. Sie fügt hinzu: «Ein ähnlicher Temperaturunterschied entsteht auch, wenn ein Satellit in den Schatten der Erde oder aus dem Schatten wieder an die sonnenbestrahlte Seite des Planeten fliegt – und das passiert 16 Mal pro Tag.»
Als Polymerbasis für diese Dünnschichtstruktur wird oft Polyimid verwendet. Dieser Kunststoff ist nicht nur temperatur- und vakuumbeständig, sondern sorgt auch für eine gute Haftung der Aluminiumschicht. Ein entscheidender Faktor ist eine nur wenige Nanometer dünne Zwischenschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen Polymer und Aluminium bildet. Barbara Putz will diese Zwischenschicht genauer untersuchen und gezielt einsetzen. Dafür erhielt sie einen «Ambizione Grant» des Schweizerischen Nationalfonds (SNF).
Die Bedeutung einer fünf Nanometer dünnen Schicht
Um die Eigenschaften der Zwischenschicht besser zu verstehen, wählten Putz und ihre Doktorandin Johanna Byloff ein Modellsystem: eine 50 Mikrometer dicke Polyimid-Folie, beschichtet mit 150 Nanometer Aluminium. Zwischen Metall und Kunststoff brachten sie eine nur fünf Nanometer messende Schicht aus Aluminiumoxid an. Die Arbeit mit solch dünnen Schichten stellt hohe Anforderungen an die Präzision.
Für die Verarbeitung nutzen die Forschenden eine spezielle Beschichtungsmaschine des Empa-Spin-offs «Swiss Cluster AG». Dieses Gerät ermöglicht es, verschiedene Beschichtungsverfahren nacheinander in derselben Vakuumkammer durchzuführen. «Unsere Materialkombination entspricht derjenigen, die für Weltraumanwendungen eingesetzt wird, etwa bei der europäischen Merkur-Sonde 'BepiColombo' oder beim Sonnenschild des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA», sagt Johanna Byloff. Sie betont den Unterschied: «Nur bildet sich die dünne Zwischenschicht dort auf natürliche Weise, während wir sie gezielt herstellen, wodurch sich die Eigenschaften einstellen lassen.»
«Elektronik funktioniert am besten bei Raumtemperatur. Die Superisolation muss selbst Einiges aushalten können, da sie den Weltraumbedingungen unmittelbar ausgesetzt ist.»
Das 21 mal 14 Meter grosse Sonnenschild des James-Webb-Weltraumteleskops verdeutlicht die mechanischen Belastungen im Weltraum. Die isolierenden Schichten müssen nicht nur extremen Temperaturunterschieden standhalten, sondern auch mechanischen Beanspruchungen. «Zum einen war das Sonnenschild beim Transport des Teleskops verstaut und musste sich am Einsatzort entfalten, ohne dass die Schichten reissen oder sich voneinander ablösen», erklärt Byloff. «Zum anderen können Partikel und Weltraummüll die Folie beschädigen. Dabei ist es wichtig, dass die Beschädigungen lokal bleiben und sich nicht als lange Risse über die ganze Oberfläche ausbreiten.»
Hintergrund: Ambizione Grant
Der «Ambizione Grant» des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) fördert junge Forschende, die ein eigenes Forschungsprojekt leiten und eine Gruppe von Mitarbeitenden betreuen möchten. Er unterstützt ihre wissenschaftliche Unabhängigkeit und den Aufbau ihrer Forschungskarriere.
Neue Möglichkeiten für flexible Elektronik und medizinische Sensoren
Die Forschenden haben ihre Modell-Folie umfassend getestet. Sie führten Dehnungsversuche und Temperaturschocks durch und charakterisierten das Material chemisch und physikalisch. Die Ergebnisse sind vielversprechend: Die gezielt eingebrachte Zwischenschicht macht das Material dehnbarer und wesentlich resistenter gegen Risse und Abblätterung.
Als Nächstes planen die Wissenschaftlerinnen, die Dicke der Zwischenschicht zu variieren und sie auf anderen Polymersubstraten anzuwenden. «Die natürliche Zwischenschicht kann sich nur auf einigen wenigen Polymeren bilden und nur in einer Dicke von rund fünf Nanometern, was ihre Nützlichkeit einschränkt», sagt Barbara Putz. «Wir erwarten, dass unsere künstliche Zwischenschicht Mehrlagensysteme auf anderen Polymeren ermöglicht, die bisher wegen schlechter Anhaftung der Beschichtung gar nicht in Frage kamen.»
Potenzial: Die verbesserte Technologie könnte die Herstellung von falt- oder rollbaren elektronischen Geräten sowie von intelligenten Textilien und anschmiegsamen medizinischen Sensoren vorantreiben.
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser flexiblen Mehrschicht-Systeme reichen weit über die Satellitenisolation hinaus. Ein grosses Potenzial sehen Putz und Byloff im Bereich der flexiblen Elektronik. Auch diese basiert auf metallbeschichteten Polymersubstraten. Dünnschicht-Komponenten für elektronische Geräte bestehen oft aus mehreren Materialschichten. Durch den gezielten Einsatz dünner Zwischenschichten liessen sich dort die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessern. Dies könnte die Entwicklung von zukünftigen Technologien massgeblich beeinflussen und neue Produkte auf den Markt bringen.
