Heißes Metall im All

In 400 Kilometern Höhe rast die Internationale Raumstation ISS um die Erde, mit einer Umlaufgeschwindigkeit von 28 000 Stundenkilometern. An Bord herrscht Schwerelosigkeit, die alles frei zum Schweben bringt, was nicht festgeschraubt, angebunden oder mit Magneten fixiert ist. Im Columbus-Labor, das die Europäer für ihre Experimente im Weltall benutzen, schwebt in einer besonderen Apparatur ein kugelförmiger Tropfen aus 2000 Grad heißem flüssigen Metall. Er ist etwa acht Millimeter groß und kann beliebig abgekühlt oder erhitzt sowie in Schwingung versetzt werden.

Möglich macht dies ein so genannter Elektromagnetischer Levitator (EML). Die hochempfindliche Apparatur kann Metalle, Legierungen und Halbleiterverbindungen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern verflüssigen und die Schmelze zum Schweben bringen. Das Verfahren ist kontaktlos, es gibt also keine störenden Interaktionen zwischen Schmelze und Gefäßwand, die das Materialverhalten der Probe beim Erhitzen oder Abkühlen verändern. Der EML wurde im Rahmen des europäischen ThermoLab-Forschungsprogramms der European Space Agency (ESA) realisiert. Mit dabei sind Wissenschaftler des Ulmer Instituts für Funktionelle Nanosysteme wie Professor Hans-Jörg Fecht, Dr. Markus Mohr, Dr. Yue Dong und Dr. Kai Brühne.

Der Elektromagnetische Levitator funktioniert übrigens auch auf der Erde – allerdings nur eingeschränkt. Denn die natürliche Gravitation ist hier so groß, dass die elektromagnetischen Kräfte zur Überwindung der Schwerkraft extrem stark sein müssen, um die Metallschmelzen zum Schweben zu bringen. Dies hat zur Folge, dass die Metallproben deformiert werden und sich im Schwebezustand so stark aufheizen, dass sie nicht mehr ausreichend heruntergekühlt werden können. »Die Kühlung ist aber notwendig, um die thermophysikalischen Prozesse bei der Erstarrung des Materials untersuchen zu können, für die sich nicht nur die Materialwissenschaften, sondern auch die Metallindustrie brennend interessieren«, erklärt Professor Hans Fecht, Leiter des Instituts für Funktionelle Nanosysteme an der Universität Ulm. Je nachdem, wie schnell das Metall abkühlt und erstarrt, bilden sich unterschiedliche Nanostrukturen aus, die wiederum die Materialeigenschaften beeinflussen.

Der Aufwand für die ThermoLab-Experimente, die über das DLR finanziert werden, ist enorm. Die Kosten sind exorbitant. Doch auch der Nutzen für Wissenschaft und Wirtschaft ist beträchtlich; die Forschung ist einerseits grundlagenorientiert, andererseits ausgerichtet auf die industrielle Anwendung. Es geht um die Entwicklung neuer Spezial-Produkte und Verfahren, um optimierte Produktionsprozesse und hochinnovative Einsatzgebiete – nicht nur in der Metall- und Halbleiterindustrie, sondern auch in Bereichen wie E-Mobilität, 3D-Druck oder neuartige Wasserstoffspeicher. Besonders gesucht: heiße Kandidaten für Nanogläser und Nanodrähte.

»Mit den Experimenten, die wir im Weltall über das Thermo-Lab-Projekt durchführen, wollen wir in erster Linie Probleme lösen, die wir auf der Erde haben. Auch wenn das ein oder andere Forschungsergebnis sicherlich dabei helfen wird, noch hitzebeständigere, robustere und leichtere Materialien für die Luft- und Raumfahrt zu entwickeln«, sagt Dr. Markus Mohr, der als Postdoc an diesem Forschungsprojekt beteiligt ist. Weltraumforschungsprojekte wie dieses sind außerdem ein schönes Beispiel für weltumspannende Forschung und Best Practice in Science. Beteiligt sind Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus Europa, Kanada und den USA, aus Japan, Indien und mittlerweile auch aus China. Und nach einem Jahr gehören die Forschungsergebnisse der ganzen Menschheit!