Supermaterialien
"made in Space"

Dass von der Raumfahrt auf verschiedene Arten Impulse für die Materialforschung ausgehen verdeutlicht das Apollo-Programm. Der Aufwand betrug damals 24 Mia $, die Industrie verdiente jedoch 30 Mia an den «kosmischen Patenten». Raumfahrt ist also von gesamtwirtschaftlicher Bedeutung.

Heute gibt es technische Errungenschaften, die uns als selbstverständlich erscheinen, die aus der Weltraumtechnologie entstammen. Sonnenbrillen zum Beispiel: Um den Astronauten gegen die direkte Sonneneinstrahlung im All Schutz zu bieten, musste ein spezielles Glas für die Helmvisiere entwickelt werden. Dieses Material stellt sich automatisch von hell auf dunkel ein und filtriert das Licht, so dass maximale Sehschärfe gewährleistet ist. Ein Klebeband, das Elektrokabel und Litzen vor tiefen und hohen Temperaturen schützt, entwickelt von der NASA, verkauft inzwischen die Firma Scotch. Black and Dekker profitierte von einem Bohrgerät, mit dem Astronauten Mondgestein aus drei Meter Tiefe holten. Heute sind ähnliche batteriebetriebene Maschinen bei vielen Heim- und Handwerkern im Einsatz.

Denken wir auch an die «moon boots»: Das Material, das eine besondere Schockdämpfüng und Energiespeicherung ermöglicht, wurde für das Mondlandeprogramm entwickelt und in den Stiefeln der Astronauten und den Sitzen der Mondfähre verwendet. In mehrjährigen Forschungsprogrammen mit dem NASA-Aerospace-Center haben Orthopäden und Biomechaniker das Röhren-gewebe aus Nylonfäden zum Gebrauch in Sportschuhen umgestaltet.

Die digitale Röntgenwiedergabe ohne Film profitierte von der NASA-Computerentwicklung, die Computertomographie nutzt Bildauswertungstechniken von Satelliten.

Weniger bekannt ist, dass sich im an die russische Raumstation angedockten technologischen Modul sechs Schmelzöfen zur Herstellung von Legierungen und Werkstoffen, aus denen man Halbleiter erzeugt. befinden. Es war dies der erste Versuch einer kleinen Pilotanlage im All zur industriellen Fertigung von Ausgangsstoffen für Mikroelektronik und Lasertechnik. Ziel dieser Arbeit ist die Suche nach optimalen Parametern verfahrenstechnischer Prozesse, anhand deren Materialien gewonnen werden können, die, verglichen mit denen auf der Erde, über bessere Kennwerte verfügen, oder Materialien zu finden. die bisher keine Analogien kennen.

Wie ihre amerikanischen Kollegen bei der Entwicklung des Space Shuttle sahen sich auch die russischen Werkstofftechniker vor eine Reihe von Problemen bei der Entwicklung ihres Raumgleiters Buran gestellt. Es mussten Werkstoffe geschaffen werden, die Temperaturen von -235 ⁰C ebenso standhalten wie solchen von +8OO C. Das bewirkte die Entstehung neuer Materialien wie hochfester Aluminiumlegierungen. hitzebeständiger Nickel-und Kupferlegierungen, keramischer Faserverbundwerkstoffe, die mit Bor- oder Siliziumkarbidfasern armiert sind, Kohlenpasten auf der Grundlage von Graphit mit polymeren Bindemitteln usw. Gemeistert wurden neue Methoden aus Produktion von Wolfram, Beryllium und Molybdän. Entdeckt wurden Wege zur Herstellung ungewöhnlicher Werkstoffe, beispielsweise nichtrostender kälteverfestigter Stahl. Dieser wird mit flüssigem Stickstoff auf eine bestimmte Temperatur herabgekühlt, so dass er gezielt eine Verformung in seiner Struktur erhält, was eine neue Matenaiqualität ergibt.

In der Schwerelosigkeit des Alls lassen sich nicht nur Metallschmelzen mit besonderen Eigenschaften ziehen und Einkristalle - wichtig für die Herstellung elektronischer Bauteile - in «Übergrössen» züchten, sondern man kann viele physikalische Effekte studieren. Dabei geht es nicht darum, neue Materialien tatsächlich im Weltraum zu produzieren, vielmehr genügen exemplarische Experimente und Prototypen einzelner Werkstoffe oder Analysen eines Versuchsablaufs, um daraus in Nachfolgeuntersuchungen am Boden wertvolle Schlüsse zu ziehen und auf dieser Basis Metoden zu entwickeln, die nicht im Weltraumlabor, sondern in unterschiedlichen Wirtschaftszweigen umgesetzt werden. Raumfahrt eröffnet der Werkstofforschung Plattformen für wissenschaftliche Untersuchungen, die mit Weltraummissionen nichts mehr zu tun haben. Da geht es um ganz andere Themen, beispielsweise im Giessereiwesen oder in der Produktion extraschneller Mikrochips.

Zum anderen stellt die Raumfahrt selbst höchste Anforderungen an die Konstruktionswerkstoffe. Die Beschleunigung sowie starke Erschütterungen beim Start, das Vakuum des Weltraums und schliesslich die enormen Temperaturen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, all das sind Faktoren, die das Material aufs äusserste beanspruchen. Dabei werden maximale Sicherheitsstandards vorgegeben und zugleich Gewichtsreduzierungen angestrebt, denn jedes Kilogramm, das in die Umlaufbahn transportiert werden soll. ist ein Kostenfaktor. Ähnliches gilt für die Luftfahrt. Nur eines von vielen Beispielen: Auf Turbinenschaufeln, die aufgrund der wachsenden Anforderungen immer höheren Belastungen standhalten müssen, werden jetzt in neuartigen Verfahren Wärmedämmschichten aufgedampft, mit dem Effekt einer Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Schadstoffminimierung.

Immer wieder entstehen aus dieser technologischen Herausforderung verbesserte Hochleistungsmaterialien und Fertigungsmethoden. unter anderem Legierungen, integral und damit kostengünstig hergestellte Verbundbauteile oder auch hitzebeständige Keramiken. Letztere hat die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt nicht nur für einen Hitzeschild von Wiedereintrittskapseln und, in einem anderen Projekt. zur Auskleidung von Brennkammern entwickelt, auch die Verwtndung als Bremsscheiben in Hochgeschwindigkeitszügen wird als eines von mehreren Themen untersucht. Nicht nur die Materialien an sich sind Gegenstand der Entwicklung. Auch die Verfahrensweisen, in denen sie montiert und kombiniert werden, bilden ein Forschungsfeld, das in den letzten Jahren eine Vielzahl von Neuerungen hervorgebracht hat. Beispiel Adaptronik: «intelligente» Strukturen, also Materialien und Systeme, die bestimmte Informationen aus ihrer Umgebung, etwa Druckverhältnisse, selbständig registrieren, verarbeiten und darauf aktiv reagieren, indem sie sich je nach Situation optimal anpassen. Auch diese «smart structures» kommen längst nicht nur in der Raumfahrt zum Einsatz.

Zahlreiche Metallschmelzen sind auf der Erde nicht miteinander mischbar. So sinkt beispielsweise in einer schmelzflüssigen Legierung das schwere Blei nach unten, während leichtes Aluminium darüber eine zweite Schicht bildet. In der Schwerelosigkeit, so dachte man wenigstens, müssten sich Tropfen des schweren Materials in der Schmelze des anderen Metalls auch nach dem Erkalten homogen verteilen lassen. Doch die ersten Experimente im Weltraum endeten mit einer Überraschung. Erneut kam es zu einer klaren Trennung, diesmal dergestalt. dass sich eine Kugel bildete. deren Kern aus Blei, der Mantel aus Aluminium bestand. In zahlreichen Folgeexperimenten erkannte man die Ursache: Im Verlauf der Abkühlung weist eine solche Schmelze an verschiedenen Stellen verschiedene Temperaturen auf, was zu «Strömungen» innerhalb der Probe führt. So in Bewegung geraten, trennen sich die beiden Materialien.

Könnte man diesen Effekt zuverlässig berechnen, liesse er sich auf der Erde gegen die Schwerkraft ausspielen. Richtig dosiert, würde die temperaturbedingte Bewegung der einzelnen Tropfen der Gravitation entgegenwirken und in der Legierung für eine gleichmässige Verteilung sorgen. Verbesserte Werkstoffeigenschaften wären die Folge.

Doch es fehlte am präzisen Rechenmodell, und es begann eine nahezu weltweite «Jagd» nach der richtigen Formel. 20 Jahre lang bemühten sich Amerikaner, Russen, Japaner, Kanadier und Europäer in zahlreichen Weltraumversuchen. dieses Problem in den Griff zu bekommen. Ein Experiment der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt und vom Institut für Raumsimulation in Köln, zusammen mit Industriepartnem entworfen und an Bord der deutschen Raumfahrtmission D-2 (26. April bis 6. Mai 1993) durchgeführt, brachte schliesslich den Durchbruch. Ein Rechenverfahren wurde von den Versuchen im Ofen des Weltraumlabors Spacelab bestätigt. Auf dieser Basis und mit Hilfe eines neuen Giessverfahrens wurden inzwischen Legierungen entwickelt, aus denen Gleitlager für Kfz-Motoren produziert wurden, reibungsärmer und verschliessfester als die heute noch gängigen Werkstoffe.

Optimisten und Fans der Weltraumfahrt sehen bereits in absehbarer Zeit Fabriken um die Erde kreisen, propagieren den Abbau von Bodenschätzen auf Kometen und Meteoriten. So gehört Bergbau auf dem Mond zu den vielen eigentümlichen Begründungen für die Raumfahrt. Aber hat sich je einer die Mühe gemacht, ihre kommerzielle Seite zu kalkulieren. Welches Mineral gäbe es, das kostbar genug ist, um das Geschäft einträglich zu machen? Nicht einmal Plutonium in reiner Form dürfte so wertvoll sein, dass sich ein derartiges Unternehmen darauf gründen liessa Die Weltraumtechnik ist fester Bestandteil der Gesellschaft geworden, und jedermann «profitiert» von ihr, man denke nur an die heutige Kommunikationstechnik beispielsweise mit Satellitenfernsehen, Telefonverbindungen usw. oder an die

Wettervorhersagen, die zum Beispiel für die Landwirtschaft oder für den Tourismus einen hohen Stellenwert haben. Die militärische Bedeutung ist zwar nicht von allen gern gesehen, aber auch sie lässt sich nicht mehr wegdiskutieren.

Was man sich meistens weniger bewusst ist, sind die nicht offensichtlichen Weftraumtechnikfolgen. Es gibt heute eine ganze Reihe von Werkstoffen, Geräten und Verfahrensweisen, die entweder aus Raumfahrtanwendungen entstanden sind oder zumindest von diesen massgeblich gefördert wurden, so etwa Quarzdigitaluhren, Taschenrechner, Kleincomputer und Fotogeräte. Hinzu kommen Baumaterialien, besonders hitzebeständige Metallegierungen, unbrennbare Textilien, Spezialkugelschreiber für die Schwerelosigkeit, die auch unter Wasser funktionieren - aber auch die zweifelhafte Methode, aus einem saftigen Steak eine münzgrosse Pille herzustellen.

Fred Richter
Agent und Consultant