Metallische Gläser an Bord der ISS untersucht

Metallische Gläser stellen eine neuartige Materialklasse dar, die für Anwendungen in der Weltraumtechnologie, der Medizin und der Uhrenindustrie von großem Interesse ist. Um ihre spezifischen Eigenschaften besser zu verstehen und ihre Produktion zu optimieren, führen Forschende der Empa in Kooperation mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA diverse Experimente an Bord der Internationalen Raumstation ISS durch. Während Metalle im Alltag – von großen Bauelementen bis hin zu winzigen Elektronikkomponenten – üblicherweise eine geordnete kristalline Struktur aufweisen, die sie beim Erstarren aus der Schmelze fast zwangsläufig annehmen, entstehen metallische Gläser durch ein extrem schnelles Abkühlen bestimmter Legierungen. Dadurch erstarren die Atome in einer „ungeordneten“, amorphen Struktur, die der von Glas gleicht.

Diese Materialien gelten in der Metallurgie als eine Art „heiliger Gral“, da sie die Härte von Quarzglas mit einer außergewöhnlichen Widerstandsfähigkeit gegen Kratzer und Korrosion verbinden. Im Gegensatz zu herkömmlichem Glas sind sie jedoch elastisch und besitzen ein besseres Rückstellvermögen als gewöhnliche Metalle, was sie für hochspezialisierte Einsatzgebiete besonders attraktiv macht. Die zentrale Herausforderung bleibt jedoch die Herstellung, da Metalle von Natur aus zur Kristallisation neigen. „Vor allem bei der Herstellung von grösseren Komponenten ist es schwierig, die amorphe Struktur zu behalten“, erläutert Damien Terebenec.

Schwerkraft ausschalten

Um amorphe Metalle erfolgreich zu produzieren, arbeiten Materialforschende wie Damien Terebenec mit komplexen Legierungen und präzise gesteuerten Prozessen. Ein tieferes Verständnis der physikalischen Eigenschaften der Schmelze ist dabei unerlässlich, stellt die Wissenschaft jedoch vor große Herausforderungen: „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. Zwar lässt sich dies auf der Erde durch starke elektromagnetische Felder realisieren, doch die Schwerkraft verformt die Tröpfchen und führt zu verfälschten Messergebnissen.

Aus diesem Grund nutzt das Team des Zentrums für Röntgenanalytik unter der Leitung von Antonia Neels die Internationale Raumstation ISS als Forschungsplattform. Im Rahmen des ESA-Projekts „THERMOPROP“ werden die Eigenschaften metallischer Gläser in der Mikrogravitation der erdnahen Umlaufbahn analysiert, während parallel dazu an der Empa in Dübendorf die Struktur der Materialien mittels moderner Röntgentechnik untersucht wird.

„Die Daten aus den Versuchen auf der ISS fliessen in Computersimulationen ein, mit denen sich wiederum industrielle Prozesse entwickeln und optimieren lassen“, so Antonia Neels. Das Projekt ist dabei trotz des außergewöhnlichen Forschungsortes fest in der Praxis verwurzelt: Der Schweizer Industriepartner PX Group aus La Chaux-de-Fonds nutzt die Erkenntnisse bereits für die Produktion metallischer Gläser in der Uhrenindustrie, wo sie für präzise Mechanismen und robuste Gehäuse eingesetzt werden. „Unser Partner konnte unsere Erkenntnisse aus dem Projekt bereits in verbesserte Herstellungsprozesse einfliessen lassen“, bestätigt Neels.

Zuverlässige Mechanismen für Satelliten

Das an Bord der ISS und an der Empa gewonnene Wissen findet auch direkt den Weg zurück in den Weltraum, da sich metallische Gläser neben ihren irdischen Einsatzgebieten hervorragend für Anwendungen in Raumschiffen und Satelliten eignen. Ihre besondere Elastizität und Widerstandsfähigkeit ermöglichen beispielsweise die Konstruktion zuverlässiger Mechanismen, die über lange Zeiträume wartungsfrei arbeiten. In einem zweiten Kooperationsprojekt mit der ESA setzen die Empa-Forschenden Materialproben den extrem rauen Bedingungen des Alls aus.

Der entsprechende Versuch namens „SESAME“ wurde im November 2024 zur ISS transportiert und im Dezember an der Außenseite des europäischen Labormoduls „Columbus“ installiert. Er umfasst zahlreiche Materialproben von 15 europäischen Forschungsinstitutionen, die nach rund einem Jahr im Weltraum zur Erde zurückkehren und analysiert werden sollen – darunter auch das metallische Glas des Empa-Teams. „Wir können einzelne Bedingungen aus dem Weltall auf der Erde simulieren, etwa Temperaturschwankungen, Vakuum oder Strahlung – aber nicht alles miteinander“, erklärt Antonia Neels. Damien Terebenec ergänzt: „Wir wollen wissen, ob ein längerer Aufenthalt unter Weltraumbedingungen die Struktur des Materials verändert. Denn die Struktur definiert die Materialeigenschaften.“

Die Versuche auf der ISS sind in verschiedenen Phasen angelegt, wobei weitere Experimente mit flüssigen metallischen Gläsern bereits für das kommende Jahr geplant sind. „Beide Projekte werden wohl bis zum Ende der ISS im Jahr 2030 laufen“, prognostiziert Neels, denn sowohl im als auch für den Weltraum gibt es noch viel zu lernen. Die Durchführung erfolgt im Rahmen des ESA-PRODEX-Programms mit Unterstützung des Swiss Space Office (SSO) sowie des PRODEX Office.

Quelle

Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (02/2026)