Materialforschung in der Schwerelosigkeit

Ein austauschbarer Ofen wird in das MSL-Labor eingesetzt

Ein Hauptziel der Forschung auf der ISS ist die effiziente Herstellung von Werkstoffen mit verbesserten Eigenschaften. Hierzu dient das europäische materialwissenschaftliche Labor MSL. Im Materials Science Laboratory können Proben bei Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius kontrolliert geschmolzen und in der Schwerelosigkeit auch wieder gerichtet erstarrt werden.

Gießereifachleute von heute sind keine Alchimisten mehr. Sie berechnen am Computer Gussformen sowie die optimalen Schmelz- und Erstarrungsvorgänge während des Gießens, so auch bei der Hydro Aluminium Deutschland GmbH (HAD). Dabei gehen viele praktische Erfahrungswerte der Experten mit ein, denn gerade der kritische Punkt des Erstarrens der Schmelze lässt sich noch nicht umfassend theoretisch beschreiben. Die Forscher wissen, dass beim Erstarrungsvorgang erste Keime in der Schmelze entstehen, die sogenannten Dendriten. Bei der weiteren Abkühlung bilden sich jedoch verästelte Strukturen, die später wesentlich die Eigenschaften des Gussprodukts bestimmen. Welche Parameter und Prozesse diesen Vorgang des Erstarrens beeinflussen, ist noch weitgehend unklar. Und Gegenstand der Forschung auf der ISS.

Schwerelos schmelzen und erstarren lassen

Die Untersuchungsreihen an Legierungen in irdischen Labors werden durch die Schwerkraft verfälscht. Konvektion und Sedimentation führen zur ungleichmäßigen Verteilung der Legierungsbestandteile im Werkstück und zu inneren Fließkräften, die die Erstarrung beeinflussen. Die Wissenschaftler weichen deshalb in den Weltraum aus, wo sie ohne störende Schwerkraft ihre Proben schmelzen und erstarren lassen können. Dafür steht ihnen das materialwissenschaftliche Labor MSL (Materials Science Laboratory) zur Verfügung, das sich im Material Science Research Rack MSRR-1 der NASA im Destiny-Modul befindet.

Materialforschung mit dem MSL

Frank De Winne mit einer Probenkartusche vor dem Einschieben in den Ofen des MSL

Im Materiallabor MSL können Proben aus Metallen, Halbleitern oder Gläsern in verschiedenen austauschbaren Öfen unter genau definierten Bedingungen bei bis zu 1400 Grad prozessiert und mittels einstellbarer Temperaturgradienten gezielt erstarrt werden. Das kann im Vakuum oder in hochreinen Edelgasumgebungen geschehen. Zwei Spulen erzeugen, wenn nötig, ein homogenes (rotierendes) Magnetfeld, um gezielt gewisse „Rühreffekte“ in der Schmelze einzubringen. Die Proben werden auf der Erde in standardisierte Kartuschen, die sogenannten Sample Cartridge Assembly (SCA) gepackt. Die Kartusche fungiert als Schmelztiegel für das jeweilige Experiment und wird von den Astronauten in den Ofen des MSL eingeschoben. Für die Aufnahme des Temperaturverlaufs ist jeder SCA mit bis zu zwölf Temperaturfühlern ausgestattet. Die Steuerung und Überwachung des weitgehend automatisch arbeitenden Labors erfolgt vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln aus.

MICAST und CETSOL

Die ersten ESA-Experimente, die zusammen mit Industriepartnern im MSL seit 2009 durchgeführt werden, sind die Projekte MICAST (Microstructure Formationin Casting of Technical Alloys) und CETSOL (Columnar to Equiaxed Transition in Solidification Processing). Daran ist auch die Hydro Aluminium Deutschland GmbH mit der Beistellung von Proben besonders reiner Al-Legierungen beteiligt.
Bei beiden Forschungsprojekten wird detailliert die Mikrostrukturentwicklung während der Erstarrung von Al-Legierungen untersucht. Im Fokus von CETSOL stehen grundlegende physikalische Phänomene. Bei MICAST, das vom DLR-Institut für Materialphysik Köln geleitet wird, geht es um den Einfluss von Strömungen in der Schmelze.
Während die Daten der ersten Proben ausgewertet werden, befindet sich bereits ein dritter Satz verschiedenartiger Proben auf der ISS. Die Auswertung und Interpretation ist sehr aufwendig und noch nicht abgeschlossen. Die ersten Ergebnisse stimmen die Experten von Hydro Aluminium jedoch sehr optimistisch, so dass sie sich in einem Punkt sicher sind: Ihre Aufwendungen für die Forschung im All stellen eine gut angelegte Investition in die Zukunft dar.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dr. h.c. Lorenz Ratke
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Materialphysik im Weltraum
Linder Höhe
D – 51147 Köln
Fon: +49 (0)2203 601-2098
Email: Lorenz.Ratke @ dlr.de

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