Heiß und kalt: wenn Metall schmilzt und erstarrt


Wird Metall erhitzt, so wird es ab einer bestimmten Temperatur flüssig. Man kann es dann in eine Form gießen und anschließend wieder abkühlen lassen, so dass es erstarrt. Auf diese Art erhält man ein Guss-Stück: zum Beispiel einen Motorblock, eine Turbinenschaufel oder ein Pumpengehäuse.

In der Industrie sind solche Verfahrensweisen von ganz zentraler Bedeutung. Daher arbeiten Wissenschaftler daran, sie immer weiter zu verbessern. Sie untersuchen dabei ganz genau, was sich im Inneren der Materialien beim Erhitzen und Erstarren abspielt. Und da hat man entdeckt, dass sich bei der Abkühlung winzige Kristalle bilden: Unter dem Mikroskop sehen sie wie ein Wald von Tannenbäumen im Miniaturformat aus. Wissenschaftlich ausgedrückt spricht man von „Dendriten“. Sie bilden in einer erstarrten Schmelze ein ganzes Netz. Und je feiner und dichter dieses Netz ist, desto höher ist die Festigkeit des Werkstoffs.

Metallproben unter dem Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert. Bild: DLR
Metallproben unter dem Mikroskop: Man erkennt die Kristallstruktur, die an Tannenbäume erinnert. Bild: DLR

Eines der größten Probleme bei Schmelzvorgängen ist nun, dass in der flüssigen Schmelze – wie in anderen Flüssigkeiten wie etwa Wasser auch – Strömungen auftreten. Sie beeinflussen die Ausbildung des Kristall-Netzwerkes – und damit die Qualität des Materials. Dass solche störenden Strömungen entstehen, hängt unter anderem mit der Schwerkraft zusammen. Verhindern kann man sie also auf der Erde nicht. Aber man kann die Strömungen beeinflussen – zum Beispiel durch Temperaturverläufe und andere Verfahren, mit denen man den heißen „Metall-Brei“ durchmischt. Dazu aber muss man die Vorgänge in solchen Schmelzen erst einmal genauer verstehen. Und zwar am besten, indem man die Schwerkraft bei bestimmten Versuchen „ausschaltet“. Da das aber auf der Erde bekanntlich nicht geht, führt man an Bord der Internationalen Raumstation ISS verschiedene Experimente zu Metallschmelzen in Schwerelosigkeit durch. Sie liefern den Wissenschaftlern neue Erkenntnisse – und mit diesem Wissen kann man dann auf der Erde den technischen Prozess verbessern und so noch bessere Material-Eigenschaften erzielen.