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Ziel ist, mit präzisen neuen Erkenntnissen das Material weiter zu verbessern. Die nächste Testreihe auf der ISS mit anderen Legierungen ist schon in Arbeit. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG fördert das Projekt.
Die Schwerelosigkeit auf der Internationalen Raumstation ist der Grund für die Mission der Saarbrücker Materialforscher im All. Dort oben, in etwa 400 Kilometern Höhe, hat die Erde ihre Anziehungskraft nicht etwa verloren, sie ist fast noch so groß wie bei uns: Die ISS fällt also. Da die Raumstation hierbei jedoch mit hohem Tempo vorwärts fliegt, stürzt sie nicht ab, sondern fällt permanent im Kreis um unseren Globus – und im freien Fall schwebt alles an Bord scheinbar gewichtslos. Auf diesen dauerhaften Schwebezustand kommt es dem Forschungsteam von Ralf Busch von der Universität des Saarlandes an: Für ihre Messungen brauchen sie Tropfen ihrer neuen Legierung, die „stillhalten“.
Ralf Busch ist international einer der Pioniere für metallisches Glas. Hierbei handelt es sich um Metalle, die zu Glas erstarren. In vielen unter anderem von EU, Bund und DFG geförderten Forschungsprojekten entwickeln und verbessern Busch und sein Team die neuartigen Legierungen, die maßgeschneiderte Eigenschaften haben. Die Bezeichnung als „Glas“ heißt nicht, dass metallisches Glas empfindlich wäre. Im Gegenteil: Die Legierungen sind fester als Stahl. „Zugleich sind sie elastisch und bei erhöhter Temperatur formbar wie Kunststoff, was es möglich macht, sie im Spritzguss oder Metall-3D-Druck zu verarbeiten“, sagt Ralf Busch. Dadurch lassen sich metallische Gläser in beliebige komplizierte Formen bringen, woran der Materialforscher und sein Team ebenfalls forschen. Seine Arbeitsgruppe an der Universität des Saarlandes hält mehrere Patente auf neuartige, ultrafeste Legierungen mit neuen Eigenschaften.
Mit den metallischen Gläsern entwickeln die Forscher neue Materialien, die Eigenschaften auf Maß für den Einsatz etwa in Motoren und Maschinen haben, zum Beispiel neue Komponenten, die Elektromotoren energieeffizienter machen, oder Schrauben und komplizierte Bauteile, die so stark sind, dass sie in der Luft- und Raumfahrt härtesten Bedingungen standhalten.
Wie Metalle zu Glas erstarren
Den Namen Glas tragen diese Metalllegierungen wegen ihrer inneren Struktur. „Klassische Metalle haben eine kristalline Struktur, ihre Atome sind angeordnet in einem Gefüge“, erklärt Ralf Busch. Die Atome stecken dort ordentlich in ihren Kristallgittern. Nicht so bei den metallischen Gläsern: Ihre innere Struktur sieht unordentlich aus wie bei Glas. „Die Atome sind ungeordnet. Die metallischen Gläser sind wie Glas amorph“, erläutert der Professor für Metallische Werkstoffe. Die Forscher gewöhnen hierfür der Metallschmelze ab, zu kristallisieren, und finden Legierungen, die dies viel langsamer tun. Auf diese Weise haben die Atome Schwierigkeiten, sich in der richtigen Reihenfolge zu Kristallen zusammenzufinden, und die Metallschmelze erstarrt mit den ungeordneten Atomen.
Dass dieses „zu Glas erstarren“ funktioniert und die Legierungen auch noch die passenden Eigenschaften etwa für den 3D-Metalldruck mitbringen, ist Ergebnis langjähriger Forschung. Die Zusammensetzung der Atomsorten muss im Rezept der Legierungen perfekt abgestimmt sein. „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“, sagt Busch. Er arbeitet bei seiner Forschung schon seit Jahrzehnten unter anderem mit der NASA, mit dem "Jet Propulsion Laboratory" in Kalifornien, das Satelliten und Raumsonden für die NASA baut und steuert, und mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt zusammen.
Legierungen auf Nickelbasis mit hoher Festigkeit fliegen zur ISS
Im Fokus der Versuchsreihe im All stehen planmäßig vom 31. August bis 4. September Legierungen aus Nickel-Niob sowie Nickel-Niob-Schwefel. Erstere wurde bereits 1967 am Massachusetts Institute of Technology, MIT, in den USA entdeckt. Die zweite Legierung stammt aus Buschs Labor am Saarbrücker Campus. Mit den Versuchen in der Schwerelosigkeit will sein Team das Wissen um die physikalischen Eigenschaften von metallischem Glas erweitern. Auf der ISS untersuchen die Forscher hierzu schwebende, bis zu 1700 Grad heiße Tropfen unter anderem auf ihre Oberflächenspannung, ihre Viskosität, das Ausdehnungs-, Unterkühlungs- und Schwingungsverhalten sowie die Wärmekapazität. „Die Legierung ist sehr reaktiv, wir brauchen auf der ISS keinen Schmelztiegel, um die Kugeln zu verflüssigen“, erklärt Busch. Die eigens auf dem Saarbrücker Campus von Buschs ehemaligem Doktoranden Lucas Ruschel angefertigten Kügelchen aus metallischem Glas wurden bereits zur ISS geflogen. Sie wurden nach Experimenten auf der Erde zertifiziert, um sicherzustellen, dass sie auf der ISS keinen Schaden anrichten.
Die Experimente laufen im Columbus Modul der ESA im Elektromagnetischen Levitator (EML), den der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst 2014 installiert hat. Eine ganze Woche Messzeit auf der ISS hat Lucas Eisenhut, ein weiterer von Buschs Doktoranden. Er steuert die Versuche zusammen mit Dr. Fan Yang vom Kontrollzentrum des DLR in Köln aus, der Buschs Habilitand in Saarbrücken ist. „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 Lucas Eisenhut.
Weshalb ein schwebender Tropfen auf der Erde nicht reicht
Die Vorbereitungen auf die Tests im All laufen seit Jahren. Die Forscher haben dafür auf der Erde etliche Male heiße Tropfen der Legierung schweben lassen: im Vakuum im elektromagnetischen und elektrostatischen Feld beim DLR in Köln. Am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY wurden Tropfen mit Röntgenstrahlung durchleuchtet. Der inzwischen promovierte Lucas Ruschel absolvierte an einem Tag ganze 30 Parabelflüge, um über dem Atlantik vor Frankreich die Tropfen in der kurzen Schwerelosigkeit von etwa 22 Sekunden zu untersuchen.
Diese kurzen Testphasen reichen den Forschern aber nicht aus: Zu viele Störfaktoren beeinträchtigen auf der Erde die Messungen. Unter Weltraumbedingungen auf der ISS geht das besser. „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. Dort müssen wir das Tröpfchen mit ganz geringen Kräften nur in seiner Position halten. Das hat entscheidende Vorteile“, erläutert Ralf Busch. Hier auf der Erde stören verschiedene Einflüsse und Phänomene wie Strömungen im Tropfen die Messungen. „Ein großer Vorteil ist auch die viel längere Versuchszeit unter Schwerelosigkeit. Wir haben auf der ISS täglich mehrere Experiment-Zyklen von bis zu 45 Minuten, also insgesamt mehrere Stunden. Das macht weitgehendere Versuche und Ergebnisse möglich als bei 22-Sekunden-Parabelflügen“, ergänzt Doktorand Lucas Eisenhut.
Ziel der Weltraum-Mission ist es, mit neuen und hoffentlich so präzisen Messwerten wie nie zuvor das Material weiter zu verbessern und neue Werkstoffe für Raumfahrt, Medizintechnik, Hochleistungsbauteile oder auch Alltagsprodukte zu ermöglichen. Die nächsten Kügelchen anderer Legierungen wie Palladium-Nickel-Phosphor, die bei einer weiteren Mission des Busch-Teams auf die ISS fliegen werden, sind bereits in Vorbereitung.
Die Saarbrücker Materialwissenschaft ist generell gut vernetzt ins Weltall. Auch das Team von Buschs Fachkollegen Professor Frank Mücklich erforschte auf der ISS Oberflächen, auf denen sich keine Krankheitskeime ansiedeln und vermehren können. Damals betreute ESA-Astronaut Matthias Maurer die Experimente bei seiner Weltraummission, der selbst an der Universität des Saarlandes Materialwissenschaft und Werkstofftechnik studiert hat.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG und die Europäische Weltraumorganisation ESA unterstützen das Projekt. An den Messungen auf der ISS und den Vorbereitungen sind auch das Institut für Materialphysik der Universität Münster unter Professor Gerhard Wilde und das Institut für Materialphysik im Weltraum am DLR beteiligt (Professor Andreas Meyer).
Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Ralf Busch (Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe der Universität des Saarlandes) Tel.: (0681) 302 3208, E-Mail: r.busch@mx.uni-saarland.de
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