Empa-Forschende untersuchen metallische Gläser auf der Internationalen Raumstation (ISS). Ziel ist es, die Herstellung dieser einzigartigen Materialien zu verbessern und neue Anwendungen auf der Erde und im Weltraum zu ermöglichen. Die Experimente finden unter Mikrogravitation statt, um die Materialeigenschaften präzise zu erforschen.
Wichtige Erkenntnisse
- Metallische Gläser sind amorphe Metalle, die hart, korrosionsbeständig und elastisch sind.
- Ihre Herstellung ist komplex, da Metalle zur Kristallisation neigen.
- Forschung auf der ISS ermöglicht präzise Messungen unter Mikrogravitation.
- Die gewonnenen Daten fliessen in die Entwicklung industrieller Prozesse ein.
- Anwendungen reichen von der Uhrenindustrie bis zu Satellitenmechanismen.
Einzigartige Materialien: Was sind metallische Gläser?
Metalle begegnen uns im Alltag in vielen Formen, meist in einer geordneten, kristallinen Struktur. Diese Struktur nehmen sie fast immer an, wenn sie aus der Schmelze erstarren. Doch es gibt Ausnahmen. Kühlt man bestimmte Legierungen sehr schnell ab, erstarren sie in einer ungeordneten, amorphen Form. Diese Struktur ähnelt der von Glas, weshalb diese Materialien als «metallische Gläser» bezeichnet werden.
Die Empa, das Schweizer Forschungsinstitut für Materialwissenschaft und Technologie, forscht intensiv an diesen Materialien. Ihre Eigenschaften sind bemerkenswert. Metallische Gläser sind hart wie Quarzglas und besitzen eine glatte Oberfläche. Diese macht sie besonders widerstandsfähig gegen Kratzer und Korrosion. Im Gegensatz zu herkömmlichem Glas sind sie jedoch elastisch. Nach einer Verformung kehren sie eher in ihre ursprüngliche Form zurück als gewöhnliche Metalle.
Faktencheck
- Metallische Gläser sind bis zu dreimal härter als herkömmliche Stähle.
- Sie können bis zu zweimal elastischer sein als normale Metalle.
- Die Herstellung erfordert Abkühlraten von bis zu einer Million Grad Celsius pro Sekunde.
Die Herausforderung der Herstellung
Die besonderen Eigenschaften machen metallische Gläser zu einem begehrten Material für verschiedene Anwendungen. Dennoch ist ihre Herstellung eine grosse Herausforderung. Die meisten Metalle bevorzugen ihre natürliche kristalline Form. Es ist schwierig, die amorphe Struktur zu erhalten, besonders bei der Produktion grösserer Komponenten. Hier liegt eine der Hauptaufgaben der Forschung.
Empa-Forscher Damien Terebenec, der am Empa-Zentrum für Röntgenanalytik an metallischen Gläsern arbeitet, erklärt die Schwierigkeit: «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.» Dies erfordert spezielle Bedingungen, die auf der Erde nur schwer zu simulieren sind.
«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.»
Forschung im Weltraum: Mikrogravitation als Schlüssel
Um diese Herausforderungen zu meistern, greifen Terebenec und sein Team auf eine einzigartige Forschungsplattform zurück: die Internationale Raumstation (ISS). Im Rahmen des Forschungsprojekts «THERMOPROP» der Europäischen Weltraumorganisation ESA, geleitet von Antonia Neels, untersuchen die Forschenden die physikalischen Eigenschaften von metallischen Gläsern in der Mikrogravitation.
Die Schwerelosigkeit auf der ISS bietet ideale Bedingungen. Auf der Erde verformt die Schwerkraft flüssige Metalltröpfchen, selbst wenn sie elektromagnetisch in der Schwebe gehalten werden. Dies verfälscht die Messungen. Im Weltraum können die Tröpfchen ihre perfekte Kugelform behalten, was präzisere Daten liefert. Diese Daten sind entscheidend, um die Prozesse der amorphen Metallbildung besser zu verstehen.
Hintergrund: Das ESA-Projekt «THERMOPROP»
Das Projekt «THERMOPROP» konzentriert sich auf die Untersuchung thermophysikalischer Eigenschaften von Materialien in flüssigem Zustand. Die Mikrogravitation der ISS ermöglicht es, die Einflüsse der Schwerkraft zu eliminieren und so grundlegende Materialeigenschaften genauer zu messen. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Entwicklung neuer Materialien und Fertigungsprozesse auf der Erde.
Praktische Anwendungen und industrielle Partnerschaften
Die Forschung ist nicht nur von akademischem Interesse. Die an der ISS und der Empa gewonnenen Erkenntnisse fliessen direkt in die Entwicklung und Optimierung industrieller Prozesse ein. Antonia Neels betont: «Die Daten aus den Versuchen auf der ISS fliessen in Computersimulationen ein, mit denen sich wiederum industrielle Prozesse entwickeln und optimieren lassen.»
Ein wichtiger Partner in diesem Projekt ist die Schweizer PX Group aus La Chaux-de-Fonds. Dieses Unternehmen stellt metallische Gläser für die Uhrenindustrie her. Dort werden die harten und biegsamen Materialien für präzise Mechanismen und robuste Gehäuse eingesetzt. Die Zusammenarbeit zeigt bereits Erfolge. Neels berichtet: «Unser Partner konnte unsere Erkenntnisse aus dem Projekt bereits in verbesserte Herstellungsprozesse einfliessen lassen.»
Zukunft im Weltall: Zuverlässige Mechanismen für Satelliten
Die gewonnenen Erkenntnisse finden auch wieder ihren Weg zurück in den Weltraum. Metallische Gläser eignen sich hervorragend für Anwendungen an Bord von Raumschiffen und Satelliten. Ihre Elastizität und Widerstandsfähigkeit ermöglichen die Konstruktion von Mechanismen, die über lange Zeit wartungsfrei funktionieren müssen. Dies ist in der Raumfahrt von entscheidender Bedeutung.
In einem zweiten ESA-Projekt, genannt «SESAME», setzen Empa-Forschende Materialproben den extremen Bedingungen des Weltalls aus. Im November 2024 wurden diese Proben zur ISS gebracht und im Dezember an der Aussenseite des europäischen Labormoduls «Columbus» installiert. Nach etwa einem Jahr im Weltall sollen die Proben zur Erde zurückkehren und analysiert werden. Dazu gehört auch das metallische Glas des Empa-Teams.
- November 2024: Start der «SESAME»-Mission zur ISS.
- Dezember 2024: Installation der Proben an der Aussenseite von «Columbus».
- Ein Jahr später: Rückkehr der Proben zur Analyse auf der Erde.
«Wir können einzelne Bedingungen aus dem Weltall auf der Erde simulieren, etwa Temperaturschwankungen, Vakuum oder Strahlung – aber nicht alles miteinander», erklärt Neels. Terebenec ergänzt: «Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften.» Die Experimente mit flüssigen metallischen Gläsern der Empa auf der ISS sind für nächstes Jahr geplant und werden voraussichtlich bis zum Ende der ISS im Jahr 2030 fortgesetzt. Es gibt noch viel zu lernen über diese faszinierenden Materialien im und für das Weltall.
