Bis zu 1700 °C heiß, flüssig und trotzdem ohne Schmelztiegel: Auf der Internationalen Raumstation ISS wollen deutsche Materialforscher Ende August Metalllegierungen frei schweben lassen. Der ungewöhnliche Versuchsaufbau hat einen konkreten Grund. Auf der Erde stören ausgerechnet die starken elektromagnetischen Kräfte die Messung, die nötig sind, um den flüssigen Metalltropfen überhaupt in der Schwebe zu halten.
Vom 31. August bis 4. September 2026 untersucht ein Team um den Materialforscher Ralf Busch von der Universität des Saarlandes Legierungen aus Nickel-Niob und Nickel-Niob-Schwefel. Die Proben befinden sich bereits auf der ISS. Beteiligt sind außerdem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Universität Münster und die Europäische Weltraumorganisation ESA.
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Warum die ISS bessere Messbedingungen bietet
Die Versuche laufen im Electromagnetic Levitator (EML) im europäischen Columbus-Modul der ISS. Die Anlage hält elektrisch leitfähige Proben mit elektromagnetischen Feldern in Position und erhitzt sie, bis sie schmelzen.
Ein Schmelztiegel ist nicht nötig. Das verhindert, dass die heiße Schmelze mit einem Behältermaterial reagiert oder dadurch verunreinigt wird. Auch die Erstarrung lässt sich ohne Kontakt zu einer Tiegelwand kontrollierter untersuchen.
Grundsätzlich funktioniert elektromagnetisches Schweben auch auf der Erde. Dort müssen die Magnetfelder allerdings zusätzlich die Gewichtskraft der Probe ausgleichen. Dafür sind vergleichsweise hohe Feldstärken nötig. Sie können Strömungen in der flüssigen Probe erzeugen und damit die Messwerte beeinflussen.
Unter Mikrogravitation reicht ein deutlich schwächeres Feld aus, um den Tropfen an seiner Position zu halten. Dadurch entstehen weniger störende Strömungen in der Schmelze. Genau das soll präzisere Messungen ermöglichen.
Was sich an einem schwebenden Metalltropfen messen lässt
Die Proben werden auf Temperaturen von bis zu 1700 °C erhitzt. Die Forschenden bestimmen unter anderem:
- Oberflächenspannung,
- Viskosität,
- spezifische Wärmekapazität,
- thermische Ausdehnung,
- Unterkühlungsverhalten und
- Schwingungsverhalten.
Einige dieser Werte lassen sich direkt aus den Bewegungen des Tropfens ableiten. Für Messungen von Oberflächenspannung und Viskosität wird die Probe beispielsweise gezielt zum Schwingen gebracht. Aus Frequenz und Abklingen der Schwingungen können die Forschenden auf die Eigenschaften der Schmelze schließen.
Die Messwerte sollen zeigen, wie sich die untersuchten Legierungen in der flüssigen und unterkühlten Phase verhalten. Das ist insbesondere für die Entwicklung sogenannter metallischer Gläser interessant.
Vor der ISS kamen 30 Parabeln
Die Experimente im Orbit sind nicht der erste Schritt. Die Forschenden haben die Legierungen zuvor bereits in verschiedenen Versuchsanlagen untersucht. Dazu gehörten unter anderem elektromagnetische und elektrostatische Levitation sowie Röntgenuntersuchungen.
Auch Parabelflüge dienten als Vorbereitung. Dabei herrscht während jeder Parabel für rund 22 s annähernde Schwerelosigkeit. Bei einem Versuch absolvierte Forscher Lucas Ruschel nach Angaben der Universität an einem Tag 30 solcher Parabeln.
Für komplexe Messreihen bleibt selbst das knapp. Auf der ISS können einzelne Versuchszyklen dagegen bis zu 45 min dauern. Mehrere davon sind pro Tag vorgesehen. Damit steht den Forschenden erheblich mehr Zeit zur Verfügung, um Temperaturverläufe, Schwingungen und andere Eigenschaften der Schmelzen zu beobachten.
Experimente lassen sich von Köln aus steuern
Während der Versuche sitzen Mitglieder des Forschungsteams im DLR-Kontrollzentrum in Köln. Von dort erhalten sie Livebilder der frei schwebenden Probe auf der ISS.
Parameter des Experiments lassen sich während des laufenden Versuchs verändern. So können die Forschenden beispielsweise auf das Verhalten eines Tropfens reagieren und Messbedingungen anpassen.
Damit wird aus dem ISS-Versuch kein automatisiertes Experiment, dessen Daten erst nach der Rückkehr ausgewertet werden. Das Team kann den Verlauf unmittelbar verfolgen und eingreifen.
Warum metallische Gläser untersucht werden
Die getesteten Nickel-Niob-Legierungen gehören zu den Materialien, aus denen sich unter geeigneten Bedingungen metallische Gläser herstellen lassen.
Anders als konventionelle Metalle besitzen metallische Gläser keine regelmäßig geordnete Kristallstruktur. Ihre Atome bleiben beim Erstarren weitgehend ungeordnet. Voraussetzung dafür ist, dass sich während des Abkühlens keine Kristalle bilden können.
Wichtig ist deshalb, möglichst genau zu verstehen, wie sich die Legierung bereits als Schmelze und während der Unterkühlung verhält. Dazu gehören beispielsweise ihre Viskosität und die Frage, wie stark sie sich abkühlen lässt, bevor die Kristallisation einsetzt.
Metallische Gläser können je nach Legierung hohe Festigkeiten und eine vergleichsweise große elastische Verformbarkeit erreichen. Die ISS-Experimente liefern jedoch noch keinen neuen Werkstoff. Zunächst geht es darum, die physikalischen Eigenschaften der Legierungen genauer zu bestimmen.
Weitere Experimente sind bereits geplant. Für eine spätere ISS-Mission bereitet das Team unter anderem Proben aus Palladium-Nickel-Phosphor-Legierungen vor.
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