SAARBRÜCKEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende aus dem Saarland schicken ab dem 31. August für eine Woche Experimente mit metallischem Glas zur ISS. Im Columbus-Modul werden dafür bis zu 1700 Grad heiße Legierungen per Elektromagnetischem Levitator ohne Schmelztiegel verflüssigt und als schwebende Tropfen untersucht. Ziel sind präzisere Messwerte zu Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Viskosität und Thermodynamik, die die Materialentwicklung beschleunigen sollen. Im Ergebnis geht es um Werkstoffe für Anwendungen von Luft- und Raumfahrt bis zur Medizintechnik.
Wenn Metalle in der Raumumgebung nicht zu festen Kristallen erstarren, sondern in einer ungeordneten „amorphen“ Struktur bleiben, wird daraus mehr als nur ein Werkstoff-Trick: Diese Eigenschaft kann die Materialentwicklung stark beeinflussen. Forschende der Universität des Saarlandes nutzen genau dieses Prinzip für eine neue Messkampagne auf der Internationalen Raumstation ISS. Ab dem 31. August sind im Rahmen einer einwöchigen Versuchsreihe Experimente mit Legierungen aus metallischem Glas geplant, darunter Nickel-Niob und Nickel-Niob-Schwefel. Physikalisch steht dabei im Vordergrund, dass die Schwerkraft in der Schwerelosigkeit den Messablauf verbessert und damit auch die Qualität der Parameter, die später in die Entwicklung zurückfließen.
Metallisches Glas bezeichnet Metalle bzw. Legierungen, die zu „Glas“ erstarren: Atome bilden dann keine regelmäßige kristalline Ordnung mit Kristallgittern, sondern bleiben ungeordnet. Ralf Busch, Materialforscher an der Universität des Saarlandes, ordnet das als Vorteil ein, ohne daraus eine Empfindlichkeit abzuleiten: Die Legierungen seien fester als Stahl, zugleich aber elastisch und bei erhöhter Temperatur formbar wie Kunststoff. Genau diese Kombination ist für industrielle Verarbeitung relevant, weil sie Wege über Spritzguss und Metall-3D-Druck eröffnet. Im Labor bedeutet das außerdem: Die Rezeptur muss in einem vieldimensionalen Konzentrationsraum so abgestimmt werden, dass die Kristallisation möglichst langsam abläuft und die Schmelze beim Erstarren ihre amorphe Struktur „einfriert“.
Die ISS-Kampagne zielt auf ein sehr konkretes Messproblem: Heiße Tropfen sollen „stillhalten“, damit Oberflächen- und Strömungseffekte möglichst sauber messbar bleiben. Dafür arbeiten die Saarbrücker im Columbus-Modul der ESA mit dem Elektromagnetischen Levitator (EML), einem System, das seit dem Einbau durch den deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst im Jahr 2014 betrieben wird. Der entscheidende praktische Hebel ist, dass die Legierungen auf der Station ohne Schmelztiegel verflüssigt werden können. Die Quelle beschreibt die Logik dabei so, dass die eingesetzte Legierung sehr reaktiv ist und die Schmelze daher nicht in einem klassischen Behälter geführt werden soll; die elektromagnetische Schwebe übernimmt den „Gefäß“-Effekt. Untersucht werden sollen unter anderem Oberflächenspannung, Viskosität, Ausdehnungs-, Unterkühlungs- und Schwingungsverhalten sowie die Wärmekapazität.
Damit solche Messungen auf der Erde nicht schon an Störfaktoren scheitern, zeigt die Vorbereitung den langen Vorlauf der Arbeitsgruppe. Auf der Erde haben die Forschenden bereits mehrfach heiße Tropfen der Legierung schweben lassen – im Vakuum sowie in elektromagnetischen und elektrostatischen Feldern am DLR in Köln. Ergänzend wurden Tropfen am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY mit Röntgenstrahlung durchleuchtet, um Einblicke in Materialzustände zu gewinnen. Auch die kurzen Parabelflüge waren Bestandteil des Methodentrainings: Lucas Ruschel absolvierte laut Bericht an einem Tag 30 Parabelflüge, um die Tropfen bei etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit zu untersuchen. Das reicht für erste Tests, aber nicht für die gewünschte Genauigkeit und Datenfülle. Busch formuliert den Unterschied zwischen Boden- und Raumtests mit dem Argument der nötigen Kräfte: „Wir erwarten erheblich präzisere Untersuchungsergebnisse, als es bislang auf der Erde möglich ist.“ Auf der ISS müsse das Tröpfchen mit nur sehr geringen Kräftemargen in Position gehalten werden.
Die praktische Messzeit ist dabei ein zweiter Hebel, der in der Quelle sehr deutlich wird. In den Parabelflügen bleiben Prozesse zwangsläufig auf wenige Dutzend Sekunden begrenzt; auf der ISS hingegen sind laut Bericht täglich mehrere Experiment-Zyklen mit bis zu 45 Minuten vorgesehen, insgesamt also mehrere Stunden pro Tag. Doktorand Lucas Eisenhut ergänzt, dass die längere Versuchszeit „weitgehendere Versuche und Ergebnisse“ ermögliche als bei 22-Sekunden-Parabelflügen. Neben der reinen Dauer wirkt auch die Steuerbarkeit: Die ISS sendet Live-Videos ins Kontrollzentrum, wodurch Parameter im Prozess angepasst und der Verlauf von Probe und Versuch beeinflusst werden können. Eisenhut beschreibt zudem, dass Echtzeitbefehle direkt an das Gerät auf der ISS gesendet werden, um auf Messsituationen reagieren zu können. Damit wird das Experiment stärker zu einem geschlossenen Regelkreis, statt nur zu einem einmaligen „Start und Abwarten“.
Technisch ist die Legierungsauswahl nicht zufällig, sondern folgt zwei unterschiedlichen Herkunftslinien. Nickel-Niob gilt laut Bericht als bereits 1967 am Massachusetts Institute of Technology entdeckte Legierung; Nickel-Niob-Schwefel stammt aus dem Labor von Busch am Saarbrücker Campus. Die Mission soll das Wissen über die physikalischen Eigenschaften metallischen Glases erweitern und damit die Materialdatenbasis für neue Legierungen verbessern. Solche Verbesserungen werden in der Quelle explizit in Richtung Anwendungen gespiegelt: Komponenten, die Elektromotoren energieeffizienter machen sollen, sowie Schrauben und komplexe Bauteile, die in Luft- und Raumfahrt harten Bedingungen standhalten. Auch der Blick auf Medizintechnik und Hochleistungsbauteile wird genannt, und zugleich bereiten die Forschenden weitere Kapseln mit anderen Legierungen vor, darunter Palladium-Nickel-Phosphor, für eine spätere Mission.
Für die Marktseite ist der wichtigste Punkt weniger die Exotik des Werkstoffnamens als die Perspektive auf reproduzierbare Prozess- und Materialparameter. Wenn Messwerte zu Viskosität, Oberflächenspannung und Thermodynamik mit höherer Präzision entstehen, lassen sich Modellierungen und Design-Regeln für neue amorphe Legierungen besser kalibrieren. Genau daraus folgt in der Industrie ein echter Nutzen: Metallische Gläser können wegen ihrer Verarbeitbarkeit und der damit verbundenen Geometriefreiheit in Fertigungsprozesse wie Metall-3D-Druck oder Spritzguss eingebunden werden, ohne die Materialfamilie vollständig neu aufbauen zu müssen. Gleichzeitig bleibt die Entwicklung langfristig anspruchsvoll, weil die Legierungszusammensetzung und die Kristallisationskinetik fein aufeinander abgestimmt werden müssen. Die ISS-Messkampagne macht daher vor allem eines sichtbar: Schwerelosigkeit ist hier nicht nur „Umgebungsdetail“, sondern ein Messinstrument, das die Lücke zwischen Laborerfahrung und belastbaren Engineering-Daten schließen kann.
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