TRANSPARENT: Schmelzen in Schwerelosigkeit erforschen - industrielle Gießprozesse verbessern

Alexander Gerst installierte den Elektromagnetischen Levitator
Alexander Gerst installierte den Elektromagnetischen Levitator
Credit: NASA/ESA.

Alexander Gerst installierte den Elektromagnetischen Levitator

Alexander Gerst installierte den Elektromagnetischen Levitator (EML) im Columbus-Modul der ISS während seiner Mission Blue Dot im Jahr 2014.

Ein Forschungsschwerpunkt auf der ISS ist die Untersuchung des Kristallwachstums in metallischen Legierungen. Unter Schwerelosigkeit treten keine Dichteunterschiede in der Schmelze mehr auf. Ihre Durchmischung und damit der Massentransport durch Wärmeströmung - die sogenannte Konvektion - entfallen. Zurück bleibt der Teil des Massentransports, der nur durch Eigenbewegung der Moleküle - die sogenannte Diffusion - bestimmt wird.

TRANSPARENT-1 soll uns dabei helfen, das Verhalten von Schmelzen bei ihrer Erstarrung zu verstehen und möglichst präzise voraussagen zu können. Damit können Gießprozesse auf der Erde besser simuliert werden. Für die Untersuchung des Kristallwachstums an metallischen Proben werden im Materials Science Laboratory (MSL) zwei Öfen eingesetzt - der Low Gradient Furnace (LGF) beziehungsweise der Solidifcation and Quenching Furnace (SQF). Die Erstarrung einer organischen Modelllegierung aus Neopentylglykol und Campher soll in situ in der neuen TRANSPARENT-1-Anlage in der Materials Science Glove Box untersucht werden. Die Experimente werden in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Instituts ACCESS in Aachen auf der ISS durchgeführt, begleitet und ausgewertet.

Temperaturabhängige Eigenschaften der Schmelzen wie Viskosität, Oberflächenspannung, spezifische Wärme, thermische Ausdehnung und elektrische Leitfähigkeit der Proben werden mittels des Elektromagnetischen Levitators (EML) ermittelt. Dieser wurde im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements und der ESA entwickelt. Im Jahr 2014 wurde diese Anlage von Alexander Gerst im Columbus-Modul installiert und in Betrieb genommen. In der Heizanlage können hochschmelzende Legierungsproben über schwache elektromagnetische Felder in der Schwebe gehalten werden, während sie durch ein hochfrequentes und gleichförmiges elektromagnetisches Dipolfeld aufgeschmolzen werden. So werden Keime in der Schmelze vermieden, die zu früher Erstarrung führen könnten, wie dies bei Schmelzen auf der Erde häufig vorkommt. Die Entkopplung von Heizen und Positionieren ist nur unter Schwerelosigkeit möglich und führt so zu deutlich weniger Konvektion in der Schmelze.

Die auf der ISS gewonnenen Daten sind für die Verbesserung von Computermodellen für industrielle Gießprozesse von Hightech-Materialien - beispielsweise von neuartigen und leichteren Flugzeugturbinenschaufeln und Motorgehäusen - äußerst gefragt.

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