MATERIALWISSENSCHAFTEN 

Sojus Rakete beim Start

Die Schwerelosigkeit bietet für die industrielle Forschung in den Materialwissenschaften ein vorteilhaftes Umfeld, in dem sich  flüssige oder gasförmige Stoffe ungestört durch die Schwerkraftwirkung untersuchen lassen. Die zu untersuchenden physikalischen Mechanismen und deren Modelle können so klar strukturiert und verifiziert werden.

Unter dem Begriff Materialwissenschaften sind in der Initiative GoSpace die Disziplinen Materialentwicklung, Verbrennungsforschung und Strömungsmechanik zusammengefasst.
Die Möglichkeiten, die die Schwerelosigkeit zur Unterstützung der Forschung und der technischen Entwicklung bieten kann, soll an einigen Beispielen verdeutlicht werden:

Materialentwicklung
Ein vertieftes Verständnis des Einflusses der thermisch getriebenen Konvektion auf das Mikrogefüge bei der Erstarrung von Metallschmelzen führte zur Verbesserung von Werkstoffeigenschaften. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen konnten durch genauere Daten von thermophysikalischen Eigenschaften bei Schmelzprozessen mathematische Modellierung von Erstarrungsprozessen verifiziert werden.

Ein verbessertes Verständnis des Kristallwachstums elektronischer Halbleiter, der Einfluss der Thermokonvektion auf die Kristallqualität, hat die Entwicklung von neuen Technologien auf der Erde ermöglicht, u. a. die Anwendung von Magnetfeldern zur Dämpfung konvektiver Prozesse. Durch eine genauere Kenntnis der Auswirkung der Marangoni-Konvektion - eines Stofftransportes, der durch eine Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung hervorgerufen wird - konnte der Silizium-Produktionsprozess verbessert werden.

Verbrennungsforschung
In der Verbrennungsforschung haben die bisherigen Ergebnisse Eingang in die mathematischen Simulation von Verbrennungsvorgängen gefunden. Das Zündverhalten von Aerosolen konnte genauer untersucht werden, da die Flüssigkeitstropfen in der Schwerelosigkeit eine perfekte Kugelgestalt annehmen und so die Verbrennungseffekte leichter zu beschreiben sind.

Während der spektroskopischen Untersuchung bei der Verbrennung von Einzeltropfen konnte ein Mehrstufenprozess erforscht werden, der wichtig für die entsprechende Prozess-Simulation ist. So können z. B. die Grundmechanismen einer effizienten und schadstoffarmen Verbrennung von Treibstoffen in Automobil- und Flugzeugmotoren erkannt werden.

Strömungsmechanik
Die Struktur und Dynamik von Strömungen ein- oder mehrphasiger Fluide wurde in anwendungsrelevanten Geometrien untersucht und so z.B. das Verhalten von Wasser/Dampf-Gemischen in engen Rohren beschrieben. Die Untersuchung der hydrodynamischen Stabilität von Strömungen in Kapillaren konnte bei der Entwicklung von Satelliten Treibstofftanks helfen.

Des Weiteren wurden Experimente und numerische Simulationen von geophysikalischen Strömungen durchgeführt, deren Ergebnisse auch für die Erforschung der Plattentektonik der Erdkruste verwendet werden sollen.