Metallische Gläser im All: Materialforschung auf der ISS
Metallische Gläser gelten als vielversprechende Werkstoffe für Medizin, Uhrenindustrie und Raumfahrt. Ihre besondere amorphe Struktur verleiht ihnen hohe Härte und Elastizität – doch ihre Herstellung ist anspruchsvoll. Empa-Forschende untersuchen deshalb im Rahmen von ESA-Projekten an Bord der Internationalen Raumstation ISS die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien unter Mikrogravitation.
Der Zwilling dieser Probe befindet sich auf der Außenseite der ISS als Teil des "Sesame"-Experiments.
Foto: Empa
Metalle prägen den technischen Alltag in nahezu allen Maßstäben – von tragenden Konstruktionen bis zu filigranen Komponenten elektronischer Geräte. In der Regel erstarren sie aus der Schmelze in einer geordneten, kristallinen Struktur. Diese regelmäßige Anordnung der Atome bestimmt ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften.
Unter bestimmten Bedingungen jedoch nehmen Metalle eine andere Struktur an. Werden ausgewählte Legierungen extrem rasch abgekühlt, bleibt den Atomen keine Zeit, sich in ein Kristallgitter einzuordnen. Stattdessen erstarren sie in einer amorphen, also ungeordneten Struktur, die an Glas erinnert. Solche Werkstoffe werden als metallische Gläser bezeichnet. Diese Materialien verbinden Eigenschaften, die in klassischen Metallen nicht gleichzeitig auftreten. Sie weisen eine hohe Härte auf, ihre Oberflächen sind widerstandsfähig gegenüber Kratzern und Korrosion. Zugleich zeigen sie eine bemerkenswerte Elastizität und kehren nach Verformungen eher in ihre ursprüngliche Form zurück als konventionelle Metalle. Damit eröffnen sich Anwendungen in der Medizintechnik, in Präzisionsmechanismen etwa der Uhrenindustrie sowie in der Raumfahrt.
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Die Herausforderung der Herstellung
Die Herstellung metallischer Gläser ist jedoch anspruchsvoll. Der thermodynamisch bevorzugte Zustand vieler Metalle ist die kristalline Struktur. Vor allem bei größeren Bauteilen gestaltet es sich schwierig, die amorphe Struktur während des Abkühlens zu erhalten. „Vor allem bei der Herstellung von größeren Komponenten ist es schwierig, die amorphe Struktur zu behalten“, sagt Damien Terebenec, der am Empa-Zentrum für Röntgenanalytik an metallischen Gläsern forscht.
Für ein vertieftes Verständnis der Materialeigenschaften ist insbesondere die Untersuchung der Schmelze entscheidend. In diesem flüssigen Zustand werden die strukturellen Grundlagen für das spätere Erstarren gelegt. Dabei zeigt sich eine weitere Schwierigkeit: „Man muss flüssige Metalltröpfchen in der Schwebe untersuchen, da der Kontakt mit einem Schmelztiegel eine Kristallisation des Metalls auslösen und so das gesamte Experiment gefährden kann“, erklärt Terebenec.
Auf der Erde lassen sich solche schwebenden Tropfen mithilfe elektromagnetischer Felder stabilisieren. Dennoch wirkt die Schwerkraft auf die Proben ein, verformt die ansonsten kugelförmigen Tröpfchen und beeinflusst die Messungen.
Empa-Forscher Damien Terebenec analysiert die Struktur metallischer Gläser in einem Röntgendiffraktometer.
Foto: Empa
Forschung in der Mikrogravitation
Um diesen Einfluss zu minimieren, greifen die Forschenden auf eine besondere Umgebung zurück: Die Mikrogravitation der Internationalen Raumstation ISS. Im Rahmen des ESA-Projekts „Thermoprop“, das von Antonia Neels geleitet wird, untersuchen Empa-Forschende gemeinsam mit Partnerinstitutionen die physikalischen Eigenschaften metallischer Gläser unter nahezu schwerelosen Bedingungen.
Während die Experimente auf der ISS ablaufen, werden an der Empa in Dübendorf ergänzende Untersuchungen durchgeführt. Mithilfe verschiedener Röntgentechniken analysieren die Forschenden die atomare Struktur der Proben und vergleichen die Ergebnisse mit den Daten aus dem Orbit. „Die Daten aus den Versuchen auf der ISS fließen in Computersimulationen ein, mit denen sich wiederum industrielle Prozesse entwickeln und optimieren lassen“, so Antonia Neels. Das Projekt ist eng mit der industriellen Praxis verknüpft. Neben der Empa und der EPFL ist die Schweizer PX Group beteiligt, die metallische Gläser für die Uhrenindustrie produziert. Die dort eingesetzten Materialien kommen in präzisen Mechanismen und widerstandsfähigen Gehäusen zum Einsatz. „Unser Partner konnte unsere Erkenntnisse aus dem Projekt bereits in verbesserte Herstellungsprozesse einfliessen lassen“, sagt Neels.
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Werkstoffe für Raumfahrtsysteme
Die Untersuchungen dienen nicht nur terrestrischen Anwendungen. Metallische Gläser gelten auch als geeignete Werkstoffe für Mechanismen in Satelliten und Raumfahrzeugen. Ihre Kombination aus Elastizität und Verschleißfestigkeit ermöglicht Konstruktionen, die über lange Zeiträume wartungsfrei arbeiten können.
In einem weiteren ESA-Projekt mit dem Namen „Sesame“ setzen die Empa-Forschenden Materialproben den Bedingungen des Weltraums direkt aus. Der Versuch startete im November 2024 zur ISS und wurde im Dezember an der Außenseite des europäischen Labormoduls „Columbus“ installiert. Insgesamt umfasst das Experiment Proben von 15 europäischen Forschungseinrichtungen.
Nach etwa einem Jahr sollen die Materialien zur Erde zurückkehren und detailliert untersucht werden. Auch Proben metallischer Gläser aus Dübendorf befinden sich darunter. „Wir können einzelne Bedingungen aus dem Weltall auf der Erde simulieren, etwa Temperaturschwankungen, Vakuum oder Strahlung – aber nicht alles miteinander“, erklärt Neels. „Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften“, ergänzt Terebenec.
Langfristige Forschungsprogramme
Die Experimente sind in mehrere Phasen unterteilt. Weitere Versuchsreihen mit flüssigen metallischen Gläsern der Empa sind für das kommende Jahr an Bord der ISS vorgesehen. „Beide Projekte werden wohl bis zum Ende der ISS im Jahr 2030 laufen“, spekuliert Neels.
Die Forschungsarbeiten erfolgen im Rahmen des ESA-Prodex-Programms und werden vom Swiss Space Office sowie dem Prodex Office unterstützt. Mit den Untersuchungen an Bord der ISS und den begleitenden Analysen auf der Erde entsteht schrittweise ein umfassenderes Verständnis der Struktur und Eigenschaften metallischer Gläser. Diese Erkenntnisse fließen sowohl in industrielle Herstellungsprozesse als auch in die Entwicklung von Werkstoffen für zukünftige Raumfahrtsysteme ein.
