Empa-Forscher untersuchen zusammen mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA an Bord der Internationalen Raumstation ISS die Eigenschaften von Metallischen Gläsern. Diese neuartigen Materialien werden im Weltall, in der Medizin und in der Uhrenindustrie verwendet.
Metalle werden zum Bauen oder für elektronische Geräte verwendet und zu Werkzeugen oder Schmuck verarbeitet. Sie nehmen beim Erstarren meistens eine geordnete kristalline Struktur an. Wenn man aber bestimmte Legierungen aus der Schmelze sehr rasch abkühlt, erstarren sie in einer ungeordneten, amorphen Struktur, die derjenigen von Glas ähnelt. Daher kommt der Name «metallische Gläser». Die Oberfläche ist sehr glatt und widerstandsfähig gegen Kratzer und Korrosion. Die Härte entspricht Quarzglas. Im Unterschied zu Glas sind die metallischen Gläser elastisch und kehren nach Verformungen eher in ihren Ursprungszustand zurück als Metalle.
Die Herstellung ist sehr schwierig, da die meisten Metalle normalerweise ihre natürliche kristalline Form annehmen. «Vor allem bei der Herstellung von grösseren Komponenten ist es schwierig, die amorphe Struktur zu behalten», sagt Empa-Forscher Damien Terebenec, der am Empa-Zentrum für Röntgenanalytik an metallischen Gläsern forscht.
Die Schwerkraft ausschalten
Die Arbeit mit komplexen Legierungen und den präzis gesteuerten Prozessen, um amorphe Metalle herzustellen, ist sehr schwierig. «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 kann man solche Experimente mit starken elektromagnetischen Feldern ausführen. Durch die Schwerkraft werden aber die Tröpfchen verformt und die Messungen werden ungenau.
Die Erforschung der physikalischen Eigenschaften von metallischen Gläsern in der Mikrogravitation – der Beinahe-Schwerelosigkeit in der erdnahen Umlaufbahn – ergibt wesentlich bessere Ergebnisse. Gleichzeitig werden an der Empa die metallischen Gläser auch mit unterschiedlichen Röntgentechniken untersucht. Die Weltraumdaten werden für Computersimulationen verwendet, mit denen industrielle Prozesse entwickelt und optimiert werden. Mitbeteiligt ist das Schweizer Unternehmen PX Group aus La Chaux-de-Fonds, das metallische Gläser für die Uhrenindustrie herstellt. Mit den neuen Erkenntnissen konnte der Herstellungsprozesse bereits verbessert werden.
Anwendung in Satelliten
Die im All und auf der Erde erzielten Ergebnisse können in Raumstationen und in Satelliten angewendet werden. Dank der Elastizität und Widerstandsfähigkeit von metallische Gläsern sind Konstruktionen möglich, die länger wartungsfrei funktionieren. Im Versuch «SESAME» werden Materialproben an der Aussenseite des europäischen Labormoduls «Columbus» installiert und getestet.
Nach einem Jahr kehrt das metallische Glas zusammen mit weiteren Proben auf die Erde zur Analyse zurück. «Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert, denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften», erklärt Terebenec. Es sind weitere Versuche mit flüssigen metallischen Gläsern geplant. Die ISS-Experimente laufen bis 2030, denn im und für das Weltall gibt es noch viel zu lernen.
