{"id":16319,"date":"2022-05-05T09:15:53","date_gmt":"2022-05-05T07:15:53","guid":{"rendered":"https:\/\/www.m-q.ch\/?p=16319"},"modified":"2022-05-13T13:55:36","modified_gmt":"2022-05-13T11:55:36","slug":"materialforschung-im-weltraum-mit-schweizer-beteiligung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.m-q.ch\/de\/materialforschung-im-weltraum-mit-schweizer-beteiligung\/","title":{"rendered":"Materialforschung im Weltraum mit Schweizer Beteiligung"},"content":{"rendered":"
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Materialforschung in der Schwerelosigkeit: Wissenschaftler der Universit\u00e4t Ulm bei einem Schmelzversuch im Zero-G-Airbus der Firma Novespace. (Foto: Airbus Defence and Space)<\/figcaption><\/figure><\/p>\n

Metallisches Glas \u00e4hnelt farblich dem Weissgold, hat aber die H\u00e4rte von Quarzglas. Gleichzeitig ist es elastisch und widerstandsf\u00e4hig gegen Salze oder S\u00e4uren. Es kann im 3D-Druck verarbeitet werden, etwa f\u00fcr medizinische Implantate, oder auch im Spritzgussverfahren. Bis es aber soweit ist, muss noch viel Materialforschung betrieben werden. An der Empa besch\u00e4ftigt sich Antonia Neels, die Leiterin des Empa-R\u00f6ntgenzentrums, mit diesem geheimnisvollen Material. Ihr Team untersucht die innere Struktur von metallischem Glas mit Hilfe verschiedener R\u00f6ntgenmethoden und entdeckt dadurch Zusammenh\u00e4nge mit Eigenschaften wie Verformbarkeit oder Bruchverhalten. Auch f\u00fcr Profis der Materialwissenschaften sind metallische Gl\u00e4ser eine harte Nuss: \u00abJe genauer wir die Proben anschauen, desto mehr Fragen tauchen auf\u00ab, sagt Antonia Neels. Den Ehrgeiz der Forschenden stachelt das umso mehr an.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

F\u00fcr die Materialforschung in den Weltraum<\/h2>\n
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Nun soll in einigen Monaten eine Probe von metallischem Glas ins All fliegen. Auf der internationalen Raumstation ISS werden die Materialeigenschaften in der Schwerelosigkeit untersucht. Eine Forschergruppe unter Beteiligung der Empa hat die Proben vorbereitet und bei der europ\u00e4ischen Raumfahrtagentur ESA zum Weltraumflug angemeldet. Die Speziallegierung liefert die Firma PX Group aus La Chaux-de-Fonds, die Materialien f\u00fcr die Uhrenindustrie und die Zahnmedizintechnik herstellt. Mit im Team sind auch die Forscher Markus Mohr und Hans-J\u00f6rg Fecht vom \u00abInstitute of Functional Nanosystems\u00bb der Universit\u00e4t Ulm sowie Roland Log\u00e9 vom \u00abLaboratory of Thermomechanical Metallurgy\u00bb der EPFL in Neuch\u00e2tel.<\/p>\n

Die Herstellung von metallischem Glas ist nicht ganz einfach: Im Vergleich zu Fensterglas m\u00fcssen die speziell ausgew\u00e4hlten Metall-Legierungen bis zu hundertfach schneller abgek\u00fchlt werden, damit sich die Metallatome nicht zu Kristallgittern zusammenlagern. Nur wenn die Schmelze schockartig erstarrt, bildet sie ein Glas. In der Industrie werden d\u00fcnne Folien metallischer Gl\u00e4ser erzeugt, indem die Schmelze zwischen schnell rotierende Kupferwalzen gepresst wird. Forscher giessen bisweilen ihre Proben in Gussformen aus massivem Kupfer, das die W\u00e4rme besonders gut abf\u00fchrt. Doch gr\u00f6ssere, massive Werkst\u00fccke aus metallischem Glas sind mit diesen Methoden nicht machbar.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

Der 3D-Druck hilft weiter<\/h2>\n
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Ein m\u00f6glicher Ausweg aus dem Dilemma ist der 3D-Druck im sogenannten Pulverbettverfahren. Ein feines Pulver der gew\u00fcnschten Legierung wird f\u00fcr wenige Millisekunden mit einem Laser erhitzt. Die Metallk\u00f6rnchen verschmelzen mit ihren Nachbarn zu einer Art Folie. Nun wird eine d\u00fcnne Pulverschicht dar\u00fcbergelegt, der Laser verschmilzt das frisch aufgelegte Pulver mit der darunterliegenden Folie, und so entsteht nach und nach aus vielen kurz erhitzten Pulverk\u00f6rnchen ein dreidimensionales Werkst\u00fcck.<\/p>\n

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Empa-Forscherin Antonia Neels leitet das Zentrum f\u00fcr R\u00f6ntgenanalytik. Sie ist Expertin f\u00fcr metallische Gl\u00e4ser und wird die Proben aus der ISS analysieren. (Bild: Empa)<\/figcaption><\/figure>\n

F\u00fcr diese Methode ist eine feine Dosierung des Laserpulses notwendig. Brennt der Laser zu schwach aufs Pulver, verschmelzen die Partikel nicht miteinander, und das Werkst\u00fcck bleibt por\u00f6s. Brennt der Laser zu stark, dann schmilzt er auch die unteren Schichten erneut auf. Durch das mehrfache Aufschmelzen k\u00f6nnen sich die Atome neu anordnen, sie bilden Kristalle \u2013 und damit ist es mit dem metallischen Glas vorbei.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

Mit R\u00f6ntgenmethoden den Geheimnissen auf der Spur<\/h2>\n

Im R\u00f6ntgenzentrum der Empa hat das Team von Antonia Neels schon einige solcher Proben aus 3D-Druck-Experimenten analysiert. Die Ergebnisse werfen indes stets neue Fragen auf. \u00abManches deutet darauf hin, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Gl\u00e4ser nicht verschlechtern, sondern im Gegenteil sogar verbessern, wenn die Probe kleine kristalline Anteile enth\u00e4lt\u00bb, so Neels. \u00abNun gehen wir der Frage nach, wie gross dieser Kristallanteil im Glas sein muss, und welche Art Kristalle sich bilden m\u00fcssen, um etwa die Biegsamkeit oder die Schlagfestigkeit des Glases bei Raumtemperatur zu erh\u00f6hen.\u00bb<\/p>\n

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Um dem Kristallwachstum in einer ansonsten amorphen Umgebung auf die Spur zu kommen, nutzen die Expertinnen und Experten der Empa verschiedene R\u00f6ntgenmethoden. \u00abMit Strahlung verschiedener Wellenl\u00e4ngen k\u00f6nnen wir etwas \u00fcber die Struktur der kristallinen Anteile erfahren, aber auch Nahordnungsph\u00e4nomene der Atome in der Probe ermitteln \u2013 also die Eigenschaften der chemischen Bindungen bestimmen\u00bb, erl\u00e4utert Neels. Zus\u00e4tzlich verr\u00e4t die bildgebende R\u00f6ntgenanalyse, das sogenannte mikro-CT, etwas \u00fcber Dichteschwankungen in der Probe. Dies deutet auf Phasenentmischung und Kristallbildung hin. Die Dichteunterschiede zwischen den glasigen und den kristallinen Bereichen sind allerdings nur winzig klein. Es braucht daher eine detaillierte Bildbearbeitung, um die dreidimensionale Verteilung der kristallinen Anteile sichtbar machen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

Weshalb Materialforschung in der Schwerelosigkeit?<\/h2>\n

Die bisherige Materialforschung anhand von 3D-Verfahren hat ihre Grenzen. Vor allem die Frage, bei welchen Temperaturen die erw\u00e4hnten Kristalle entstehen und wie sie wachsen, muss noch gekl\u00e4rt werden. Eine Rolle spielen dabei thermo-physikalische Parameter wie Viskosit\u00e4t oder Oberfl\u00e4chenspannung. Experimente auf der ISS bieten f\u00fcr deren Analyse ideale Bedingungen. Um das Verhalten in der Schwerelosigkeit zu proben, wurden als Vorbereitung schon 2019 erste Tr\u00f6pfchen aus metallischem Glas versuchsweise in Schwebe gebracht, und zwar an Bord eine Airbus A310, der einen sog. Parabelflug durchf\u00fchrte. Im Versuch namens TEMPUS (Tiegelfreies elektromagnetisches Prozessieren unter Schwerelosigkeit) wurde das Glastr\u00f6pfchen bestehend aus Palladium, Kupfer, Nickel und Phosphor mittels eines Magnetfelds in der Schwebe gehalten und per Induktion auf bis zu 1500 Grad Celsius erhitzt. W\u00e4hrend der Abk\u00fchlungsphase versetzten zwei kurze Induktionsstrom-Pulse das gl\u00fchende Tr\u00f6pfchen in Schwingungen. Eine Kamera zeichnete den Versuch auf. Nach der Landung wurde die Materialprobe im R\u00f6ntgenzentrum der Empa analysiert. Da aber f\u00fcr eingehendere Analysen eine l\u00e4ngere Dauer der Schwerelosigkeit notwendig ist als jene, die auf einem Parabelflug m\u00f6glich ist, wurde nun eine Materialprobe f\u00fcr einen Flug im europ\u00e4ischen COLUMBUS-Modul der ISS angemeldet. Dort ist seit 2014 der elektromagnetische Schwebeofen ISS-EML installiert. Jeweils 18 Materialproben fliegen mit, werden automatisch durchgewechselt und k\u00f6nnen von Forschern auf der Erde per Video-Stream beobachtet werden. Das metallische Glas aus der Schweiz geht mit der n\u00e4chsten Probencharge auf die Reise ins All.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

Per Computersimulation zu neuen Gussverfahren<\/h2>\n
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Aus den weit detaillierteren Daten des Weltraumflugs wollen die Forscher eine Computersimulation der Schmelze generieren. Damit sind alle Antworten durch eine Kombination von Experimenten auf der Erde und im All in einem einheitlichen Modell versammelt: Bei welcher Temperatur herrscht welche Viskosit\u00e4t und Oberfl\u00e4chenspannung? Wann bilden sich Kristalle welcher Zusammensetzung, Gr\u00f6sse und Ausrichtung? Wie beeinflusst diese innere Materialstruktur die Eigenschaften des metallischen Glases? Aus all diesen Parametern wollen die Forscher gemeinsam mit dem Industriepartner PX Group eine Herstellungsmethode entwickeln, um das begehrte Material in definierter Form produzieren zu k\u00f6nnen. In den n\u00e4chsten Jahren gibt es f\u00fcr die Materialforscherinnen und -forscher in allen beteiligten Teams also noch allerhand zu tun.<\/p>\n

Quelle und weitere Informationen: Empa<\/a><\/em><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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