Fünfeinhalb Minuten Schwerelosigkeit für Experimente

MARS: Wie funktioniert metallbasierter 3D-Druck im Weltraum?

Beim 3D-Druck – in der Fachwelt auch als additive Fertigung bezeichnet – wird pulverförmiges Material Schicht für Schicht aufgetragen bis ein dreidimensionales Bauteil entsteht. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei denen zum Beispiel ein Teil aus einem Block herausgefräst wird, hat der 3D-Druck einige Vorteile: Er ist flexibel und schnell, es lassen sich sehr komplexe Formen realisieren und es fallen wenig Materialreste an. „Diese Vorteile machen additive Fertigungsverfahren auch für Raumfahrtanwendungen in reduzierter Schwerkraft, etwa auf dem Mond oder Mars, interessant oder in Schwerelosigkeit während eines Raumflugs“, erklärt Prof. Andreas Meyer, Direktor des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. Die wenigen Minuten Experimentierzeit während des Flugs, haben ausgereicht, um ein erstes kleines Bauteil zu drucken.

„Das Experiment MARS ist eine Premiere auf diesem Gebiet. Wir schaffen die Grundlagen, damit später Weltraummissionen größere Teile herstellen können. In Zukunft könnte man die benötigten Strukturen erst vor Ort im All fertigen, zum Beispiel auf Orbitalplattformen, und so den Transportaufwand von der Erde in den Weltraum erheblich senken“, beschreibt Andreas Meyer weiter. Im Fokus des Experiments MARS (Metallbasierte Additive Fertigung für Raumfahrt- und Schwerelosigkeitsanwendungen) stehen spezielle Metalllegierungen. Aus ihnen lassen sich Bauteile mit sehr vorteilhaften Eigenschaften herstellen. Dazu zählen vor allem sehr hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Für den Flug auf MAPHEUS-11 hat das DLR-Institut basierend auf einem neuen Verfahren der Bundesanstalt für Materialforschung- und -prüfung (BAM) eine kompakte Raketennutzlast entwickelt. Diese führte den additiven Fertigungsprozess in der Schwerelosigkeit während des Flugs vollautomatisiert durch.

X-RISE: Diffusion in flüssigen Metalllegierungen besser verstehen

Mit Hilfe des Experiments X-RISE (X-Ray Investigation in Space Environment) wollen die DLR-Forschenden dieses Mal die grundlegenden Prozesse des atomaren Transports, der Diffusion, in metallischen Flüssigkeiten verstehen. Zwei miniaturisierte (Scherzellen-)Öfen schmelzen dazu Aluminium-Germanium- und Aluminium-Indium-Legierungen auf. Eine spezielle Röntgenanlage nimmt dann während des Diffusionsprozesses Bilder in Echtzeit auf. Mit Hilfe dieser Aufnahmen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bewegung der Atome in den flüssigen Metallen untersuchen.

„Diffusion ist ein wichtiger Parameter für viele Vorgänge in der Materialwissenschaft, unter anderem beim Berechnen von Bauteilen. Auf der Erde stören oft schwerkraftgetriebene Strömungen die Experimente zur Diffusion. In der Schwerelosigkeit bekommen wir dagegen ein unverfälschteres Bild der Vorgänge“, erklärt Institutsdirektor Meyer. Das Experiment X-RISE war bereits zum fünften Mal auf MAPHEUS im Einsatz.

Vorherige Experimente untersuchten unter anderem das Erstarrungsverhaltens metallischer Legierungen, die Mikrostrukturbildung und das strauchartige (dendritische) Wachstums von Kristallstrukturen in Aluminium-Germanium. „Mit Experimenten in X-RISE können wir die Diffusion in Flüssigkeiten verstehen, Modelle für die Erstarrung von Legierungen bestätigen und die Ergebnisse unserer Laborexperimente auf der Erde überprüfen“, fasst Andreas Meyer zusammen. Diese Ergebnisse können unter anderem dazu beitragen, industrielle Gussprozesse zu optimieren.

SOMEX: Universelles Lichtstreulabor für die Untersuchung weicher Materie

Mit SOMEX (SOft Matter EXperiments) hat das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum eine universelle Plattform entwickelt, um weiche Materie in Schwerelosigkeit zu untersuchen. Unter weicher Materie versteht man zwei Phasen-Systeme, die sich zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig befinden. Mit SOMEX ist es dem DLR-Team erstmals gelungen, einen Experimentaufbau zu realisieren, der trotz seines kleinen Volumens viel Platz und die Möglichkeit bietet, Experimente mit einer ganzen Reihe an optischen Methoden zu untersuchen. Das SOMEX-Modul ist druckdicht und für mehrere Flüge ins All ausgelegt. Zudem können die teilweise sehr empfindlichen Proben mittels des eigens entworfenen Schnellverschlusses einfach und bis kurz vor Start ins Modul integriert werden.

Im ersten Flug auf MAPHEUS-11 kamen statische und dynamische Lichtstreuung, sowie differenzielle dynamische Mikroskopie zum Einsatz. Ein Epifloureszenz-Mikroskop ist in Entwicklung. Damit eröffnet SOMEX breite Anwendungsmöglichkeiten.