Dienstag, 21.02.2012 - 15.26 Uhr

Auf der Suche nach neuartigen Materialie

Schwerelosigkeit ist in: Metalle, Legierungen und metallische Schäume stehen im Fokus der Forschung unter Weltraumbedingungen. Durch Ausschalten der Störgröße Schwerkraft lassen sich Produkte, Prozesse und Technologien optimieren und maßgeschneiderte Materialien „erfinden“.

Schwerelosigkeit ist ein Mekka für Materialwissenschaftler: Ein idealer Zustand,um nanoskalige Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, ihre Mischungen sowie gegenseitigen Wechselwirkungen zu untersuchen. Durch Forschung in Schwerelosigkeit lassen sich nicht nur altbekannte Dinge optimieren, sondern auch neuartige Materialien „erfinden“. Quasi eine Art „Maßschneiderei“ für Materialwissenschaftler, die nahezu alles kann, was sonst auf der Erde durch die Schwerkraft vereitelt werden würde.


Materialwissenschaftliches Experiment mit der Anlage TEMPUS an Bord des Airbus A300 ZERO-G

Wissenschaftler sprechen allerdings nicht von Schwerelosigkeit, sondern von Mikrogravitation, denn absolute Schwerelosigkeit existiert kaum. Selbst die Raumstation wird durch die vorhandene Restatmosphäre in der erdnahen Umlaufbahn während ihres Fluges leicht abgebremst. Da sich naturgemäß weder alle Geräte noch alle Astronauten im Schwerpunkt der Station befinden, treten zusätzliche Kräfte und Erschütterungen auf. All das verhindert die völlige Schwerelosigkeit. Die Abweichungen von der absoluten Schwerelosigkeit sind zwar messtechnisch exakt erfassbar, aber derart gering, dass sie für die Mehrzahl der Experimente vernachlässigbar sind. Umgangssprachlich hat sich daher der Begriff Schwerelosigkeit etabliert, physikalisch exakt müsste es aber Mikrogravitation heißen.

Für die Industrie von Relevanz: Forschung im Weltraum
Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch die Kunst des Metallgusses, um Werkzeuge und Waren aller Art zu produzieren. Die Metallerzeugung und -bearbeitung gehört damit zu den ältesten Technologien, die die Menschheit geschaffen hat. Allein in der Europäischen Union werden jährlich zehn Millionen Tonnen Metall gegossen. Es repräsentierteinen volkswirtschaftlichen Wert von rund 20 Milliarden Euro. Trotz dieser langen Erfahrungen, bei denen das „Bauchgefühl“ eine nicht unerhebliche Rolle spielt, gibt es bis heute kein universelles Modell eines realen Gießprozesses. Die Industrie wünscht sich jedoch von der Metallurgie Produkte mit definierten und reproduzierbaren Eigenschaften. Wie können neuartige Wunschlegierungen gewissermaßen am Reißbrett geschaffen werden? Hierzu wäre ein exaktes Modell aller Vorgänge in der Schmelze bis hin zur Erstarrung nötig. Dieses kann man jedoch nur unter Ausschaltung der permanent wirkenden Störgröße „Schwerkraft“ erreichen. Der verheißungsvolle Ausweg heißt daher: Forschung in Schwerelosigkeit.


In der Internationalen Raumstation ISS finden Wissenschaftler zeitlich nahezu unbegrenzte Mikrogravitationsbedingungen vor.

Wider die irdische Schwerkraft
In den letzten Jahren sind hierzu bereits zahlreiche Arbeiten unter Weltraumbedingungen durchgeführt worden,nicht zuletzt vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum. Die Antworten gleichen einem Puzzle, dem noch einigeBildelemente fehlen. Der Industrie bieten sich hier einmalige Chancen: Wer als Erster einenTeil der weißen Flecken ausfüllt, könnte einen Wettbewerbsvorteil gegenüber seinen Mitbewerbern erringen. Das betrifft beispielsweise die Verfahrenstechniker, die beim Hightech-Produkt „Metallschaum“ noch immer nicht die genauen Abläufe beim Aufschäumen kennen. Weder soll – noch wird – in absehbarer Zeit eine Produktionsstätte für Schäume im All errichtet werden. Dennoch wollen die Experten unter den Bedingungen der Mikrogravitation die für das Schäumen relevanten Parameter ermitteln. Dadurch könnten sie den irdischen Produktionsprozess optimieren und eine gleichbleibend hohe Qualität der Metallschaumerzeugnisse erzielen. Greifen wir ein weiteres Beispiel heraus. So benötigt die Halbleiterindustrie Bisismaterialien mit idealen Kristallgittern – meist Silizium oder Galliumarsenid. Diese sogenannten Einkristalle werden aus einer Schmelze heraus gezogen. Doch welchen Einfluss übt dabei die Schwerkraft aus? Forschersuchen nach Antworten: Sie züchten die entsprechenden Kristalle auf der Raumstation In Zukunft sollen auch verschiedenartige Kunststoffe unter die Lupe genommen werden.

Noch in den Anfängen steckt die Erforschung magnetorheologischer Flüssigkeiten, die sich beim Anlegen eines Magnetfeldes verfestigen und nach dem Abschalten desselben wieder flüssig werden. Bei stark schwankenden Feldern treten jedoch Verklumpungen im Material auf, die sich die Forscher noch nicht erklären können. Auch hierhelfen Untersuchungen unter Ausschluss der Schwerkraft. Die Ergebnisse könnten in innovative Spitzenprodukte münden. Denkbar wäre der Einsatz regelbarer Stoßdämpfer.

Vier Wege für revolutionäre Forschungen in Schwerelosigkeit
Auf der Internationalen Raumstation steht Wissenschaftlern und Ingenieuren bereits heute eine breite Palette von Einrichtungen zum Prozessieren verschiedenartiger Materialproben bereit. Hierzu gehört das Materials Science Laboratory (MSL) mit zwei Ofenanlagen. Das MSL eignet sich besonders für die Kristallzüchtung und die Untersuchung von Metalllegierungen. Für die berührungslose Erforschung von Metalltröpfchen wird derzeit in Deutschland ein magnetischer Levitator gebaut. Sämtliche Einrichtungen sind modular angelegt. Dadurch können Teile gegen anderes Equipment ausgetauscht und damit den jeweiligen spezifischen Aufgabenstellungen angepasst werden. Nicht für alle Untersuchungen ist der aufwändige Weg zur Raumstation nötig. Interessenten aus der Industrie oder Forschungsinstituten können weitere Möglichkeiten nutzen: den Fallturm beim Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie ZARM in Bremen mit bis zu neun Sekunden Mikrogravitation, Parabelflüge über die Raumfahrtagenturen Deutschlands (DLR) und Europas (ESA) mit etwa 22 Sekunden pro Parabel sowie Höhenforschungsraketen mit bis zu 15 Minuten Mikrogravitation. Für alle vier Forschungsmöglichkeiten ist GoSpace der richtige Ansprechpartnerum Projektideen zu bewerten, zu qualifizieren und schließlich den Weg in die revolutionäre Schwerelosigkeit zu ebnen.


Der Airbus steigt aus dem horizontalen Flug in einem Winkel von 47 Grad steil nach oben, drosselt die Schubkraft der Turbinen und fliegt eine Bahn, die einer Wurf-Parabel entspricht. Das Flugzeug befindet sich dabei mit seinen Passagieren im freien Fall – es herrscht Schwerelosigkeit.

Autor: Magazin für industrielle Forschung in der Schwerelosigkeit