Was ist der Stand der Technik bei den verwendeten Materialien für den Weltraum? Was würden Sie zum Beispiel verwenden, um einen Raumanzug der nächsten Generation herzustellen? Oder das Raumschiff, das ihn zu einem Exoplaneten bringt? Für unsere Zwecke wollen wir das vermeiden, was in naher Zukunft auf uns zukommen wird. Niemand möchte über „Vaporware“ oder schlecht beratene Spielereien lesen, die zwar glänzend aussehen, aber am Ende Menschen umbringen. Wir werden uns hier nur mit Dingen befassen, die bereits aktiv genutzt werden oder sich zumindest in der Beta-Phase befinden.
Es gibt ein paar verschiedene Klassen der technologischen Entwicklung. Im Großen und Ganzen haben sich die Rezepte, die wir zur Herstellung neuer Materialien verwenden, mit den Herstellungsmethoden weiterentwickelt, und die Dinge, die wir mit unseren Materialien zu tun versuchen, sind sehr viel anspruchsvoller geworden. Wir gehen immer größere Risiken ein und müssen dementsprechend die Zusammensetzung und die Leistung der von uns verwendeten Materialien beherrschen.
Es gibt auch einige grundlegende Arten von Materialien. Moderne Verbundwerkstoffe schichten getrennte Materialien zusammen, während Legierungen Dinge miteinander verschmelzen oder auflösen, um ein homogenes Endprodukt zu erhalten.
Betrachten Sie Keramik. Die klassische Definition von Keramik ist ein Oxid-, Nitrid- oder Karbidmaterial, das extrem hart und spröde ist, d. h. es bricht, wenn man es mit einem ausreichend großen physikalischen Stoß trifft. Keramiken sind oft stark unter Druck, aber schwach unter Zug- und Scherbelastung. Wenn keramische Materialien jedoch erhitzt werden, bis sie so faserig wie gesponnener Zucker sind, und dann durch Düsen zu Fasern geblasen werden, können sie zu weichen, flexiblen Stoffen wie Keramikwolle, Siliziumdioxidfilz und „Flexiramics“ verarbeitet werden. Diese Materialien brennen einfach nicht und sind daher nützlich, wenn eine weiche, stoßdämpfende Polsterung benötigt wird, die gleichzeitig schwer entflammbar ist.
Glaskeramik ist den meisten von uns ein wenig vertrauter, wenn auch unter einem anderen Namen: Gorilla-Glas, das man heute häufig in Smartphones sieht. Es handelt sich um ein Aluminosilikatglas, das entsteht, wenn sich geschmolzenes Glas um keramische Dotierstoffpartikel herum ablagert, die nur bei hohen Temperaturen löslich sind. Wenn es abkühlt, wird laut Corning eine Kristallinität von 50 bis 99 % erreicht. Das daraus resultierende Material ähnelt bis auf seine Transparenz kaum einem Glas. Wenn es gehärtet wird, macht das Gleichgewicht zwischen Spannung und Druck das Material verdammt zäh. Glaskeramik lässt sich auch gut mit elektrisch leitenden Beschichtungen kombinieren, und Ingenieure nutzen diese Eigenschaft bei Fenstern von Raumfahrzeugen, um sie von Kondensation und Eis freizuhalten.
Materialchemie
Raumfahrzeugfenster sind eine großartige Anwendung der Materialwissenschaft. Eine Möglichkeit, weltraumtaugliche Fenster herzustellen, ist geschmolzenes Siliziumdioxid, das zu 100 % aus reinem geschmolzenem Siliziumdioxid besteht. Ein anderes verrücktes Fenstermaterial ist Aluminiumoxynitrid, eine transparente Keramik, die wir verwenden, um Dinge kugelsicher zu machen. In einem Video, das von einem Hersteller von kugelsicheren Produkten aus Aluminiumoxynitrid produziert wurde (siehe unten), reichten 1,6 Zoll AlON aus, um eine panzerbrechende Kugel vom Kaliber .50 vollständig zu stoppen. Sowohl AlON als auch Quarzglas werden zunächst als feines Pulver, die so genannte Fritte, in eine Form gestampft und dann bei unvorstellbaren Temperaturen zu einem einzigen Stück transparenten, superharten Materials gebacken.
Wenn man nicht mit 100 % reinen Substanzen arbeitet, was in vielen Fällen nicht möglich ist, ist der Gedanke des Dopings von zentraler Bedeutung für all dies. Doping bedeutet, dass man einem ansonsten gewöhnlichen Rezept eine Prise von etwas Besonderem hinzufügt, um von den Vorteilen des Besonderen zu profitieren, ohne sich mit den Mängeln auseinanderzusetzen, die es in reiner Form hat. In vielen Fällen hat das Ergebnis des Dopings nur noch wenig Ähnlichkeit mit dem Ausgangsmaterial.
In der Metallurgie wird viel mit Doping gearbeitet, das in diesem Fall als Legieren bezeichnet wird. Man kann mit Metallen ziemlich fantastische Dinge anstellen. Aluminium-Niob-Legierungen haben eine Schmelztemperatur, die hoch genug ist, um der thermischen Umgebung in den Triebwerksdüsen der Falcon 9 standzuhalten. Aber nur, weil sie auch eine regenerative Kühlung verwenden: Das Treibmittel zirkuliert durch Kammern in den Düsenwänden, kühlt die Glocke und erwärmt das Treibmittel. (Es ist eine Wärmepumpe.) Gold- und Messinglegierungen sind nützlich, weil sie einfach nicht korrodieren, egal bei welcher Temperatur oder unter welchen chemischen Bedingungen. Wie die Antiklumpmittel in Parmesankäse gibt es sogar Metalllegierungen, die Silizium enthalten, weil das Silizium das geschmolzene Metall leichter fließen lässt und sich daher besser für komplexe Gussstücke eignet.
Das Reibrührschweißen, bei dem die beiden zu verschweißenden Materialien physikalisch miteinander verschmolzen werden, so dass sie zu einer strukturellen Einheit werden, löst das Problem der Verbindung einiger Aluminiumlegierungsteile von SpaceX.
Bildnachweis: Nature.
Neue Materialchemie ist in der Halbleiterforschung häufig anzutreffen, und in letzter Zeit ist die Kontrolle über den Dotierstoff fein genug geworden, um einatomige Punktdefekte in ein Diamantgitter einzubringen. Diese Fertigungspräzision ist auch für so genannte „hochentropische“ Legierungen von entscheidender Bedeutung. Dabei handelt es sich um hybride Mischungen aus vier, fünf oder mehr verschiedenen Elementen, die eine enorme Steigerung der Zähigkeit ermöglichen und die aus ihnen hergestellten Gegenstände dünner, leichter und haltbarer machen. Ein Metallurge vom MIT hat eine hochentrope stahlähnliche Legierung hergestellt, die sowohl extrem hart als auch sehr dehnbar ist – Eigenschaften, von denen ich und alle anderen dachten, dass sie sich gegenseitig ausschließen.
Natürlich ist die Wahl des Dotierstoffs wichtig. Tantal und Wolfram sind harte, dichte, strahlenresistente Metalle, die in das Titan eingemischt wurden, um das „Strahlungsgewölbe“ von Juno zu bilden. Das Gewölbe schützt die empfindlichen Schaltkreise in der wissenschaftlichen Nutzlast, indem es sich selbst der Versprödung aussetzt, damit die Elektronik so lange wie möglich leben kann.
Strahlungsgefahren können durch Abschirmung gemildert werden – im Grunde durch das Anbringen von Atomen zwischen Ihrer Nutzlast und den hochenergetischen geladenen Teilchen, die Bits umdrehen, Metalle korrodieren und Verbindungen kurzschließen können. Auf der Erde ist Blei die naheliegendste Wahl, aber für die Raumfahrt ist Blei ungeeignet, da es zu weich ist, um den Vibrationen standzuhalten, und zu schwer, um in jedem Fall praktisch zu sein. Deshalb besteht der Strahlungsschutzraum von Juno hauptsächlich aus Titan, das robuster als Aluminium und leichter als Stahl ist.
Es ist tatsächlich ein großes Problem, herauszufinden, wie man die Elektronik im Weltraum so lange wie möglich am Laufen halten kann. Man kann kein Raumschiff ohne einen Computer bauen. Und obwohl wir die Schaltkreise immer weiter verkleinern und ihren Stromverbrauch senken, gibt es ab einem bestimmten Punkt physikalische Grenzen für Größe und Stromverbrauch. In der Nähe dieser Schwellenwerte ist es äußerst einfach, ein System zu stören. Strahlungsschäden, thermische Differenzen, elektrische Kurzschlüsse und physische Vibrationen stellen allesamt Gefahren für elektronische Schaltungen dar. Die Spintronik könnte dazu beitragen, Computer weiterzuentwickeln, indem sie eine viel größere Bandbreite an Rechenleistung für alles bietet, was man auf einer interstellaren Reise tun muss. Außerdem könnten sie die EM-Gefahren, die in einem starken Magnetfeld wie dem des Jupiters für die Elektronik so schädlich sind, stark einschränken. Aber bis wir optische Schaltkreise oder Spintronik realisieren können, müssen wir herausfinden, wie sich die gute alte Elektronik im Weltraum verhält, und dazu gehört wahrscheinlich ein guter alter Faradayscher Käfig.
Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe sind schwer herzustellen, weil sie oft extrem spezialisierte Produktionsanlagen, riesige Autoklaven und dergleichen erfordern. Aber wenn sie gut sind, sind sie sehr, sehr gut.
Mehrschichtige Isolierung (MLI) ist sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend, und die NASA verwendet das Material praktisch überall, wo sie kann. MLI sorgt dafür, dass Raumfahrzeuge aussehen, als wären sie mit Goldfolie überzogen. Aber es gibt auch eine Art von MLI für Anwendungen, bei denen das ganze Ding elektrisch geerdet sein muss, und dabei wird ein Metallgewebe anstelle des tüllartigen Textilgewebes zwischen den Folienschichten verwendet.
SpaceX verwendet starre Verbundwerkstoffe für seine Fahrzeugkonstruktion, wobei Kohlefasern und Metallwaben übereinander geschichtet werden, um eine Struktur zu erzeugen, die sowohl sehr leicht als auch sehr stabil ist. Auch Schaumstoffe und Aerogele können leichte, steife, thermisch undurchlässige Schichten bilden.
So sah die Verkleidung der Falcon 9 nach der Bergung aus. Man beachte die Kohlefaserumhüllung, die die metallische Wabe umschließt.
Verbundwerkstoffe eignen sich hervorragend für den Schutz vor physikalischen Gefahren und Belastungen, aber starre Materialien sind nicht die einzige Lösung. Das aufblasbare Weltraum-Hab-Modul BEAM, das ich liebevoll als Hüpfburg in einer Dose bezeichne, besteht aus flexiblen Verbundwerkstoffen, darunter ein einzigartiges Glasgewebe namens Beta-Tuch. Die NASA und andere Organisationen verwenden Beta-Gewebe und ähnliche Materialien seit den späten 90er Jahren, und das aus gutem Grund: Das Material ist einfach unzerstörbar. Es besteht aus PTFE-beschichteten Glasfasern in einem Korbgeflecht und ist eine Kreuzung aus Glasfaser und Teflon. Es ist praktisch unmöglich, es zu schneiden oder sogar mit den härtesten und schärfsten Klingen zu zerkratzen. Weil es flexibel ist, ist es stoßfest. Es ist unempfindlich gegen Korrosion, selbst bei freiem Luftsauerstoff. Wissenschaftler haben es mit Lasern beschossen, wodurch es schließlich anfing, sich zu zersetzen.
Ähnlich wie das Beta-Gewebe gibt es auch das flexible Chromel-R-Metallgewebe, das wir für abriebfeste Flicken auf Raumschiffkörpern und Raumanzügen verwenden. Chromel-R ist wie die gewebten Glasmatten des Betagewebes, besteht aber aus harten, beschichteten Metalldrähten. Darüber hinaus fanden Wissenschaftler heraus, dass der „gefüllte Whipple-Schild“, ein geschichtetes Konfekt aus Keramikfasergewebe und Kevlar, besser als eine Aluminiumbeschichtung geeignet ist, um Hochgeschwindigkeits-Keramikkugeln, die Weltraummüll simulieren, aufzuhalten – indem er die Kugeln schmilzt oder zerfällt (PDF).
Raumanzüge sind eigentlich die perfekte Anwendung für flexible Verbundstoffe. Kein einzelnes Material ist gegen alles resistent. Aber wenn man dünne Schichten aus mehreren Materialien zusammenfügt, die alle gegen die meisten Dinge resistent sind, erhält man einen gegen alles resistenten Exo-Anzug, der sich dennoch mit dem Träger biegen und schmiegen kann. Fügen Sie eine Schicht Darlexx oder ähnliches hinzu, wie bei den Raumanzügen der nächsten Generation von SpaceX, und legen Sie eine Schicht aus flexiramischem Stoff darüber, und Sie haben einen feuerfesten Druckanzug. Dann noch eine Schicht aus einer nicht-newtonschen Flüssigkeit und ein paar Traumaplatten aus einer Keramiklegierung, und schon hat man einen feuerfesten Schutzanzug. Alles, was Sie dann noch brauchen, ist ein HUD in Ihrem Helm und vielleicht etwas hochdichten Memory-Schaum in den Sitzpolstern. Das sind Dinge, die wir mit den heute erhältlichen Produkten machen könnten.
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Bildnachweis oben: SpaceX Dragon V2 Innenraum