Welche Leistung können Materialien erbringen, wenn sie von der Schwerkraft „befreit“ und gleichmäßig erhitzt und verfestigt werden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: China Science Expo

Hersteller: China Science Expo

Mit der rasanten Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie ist der Weltraum nicht mehr nur ein Reiseziel für Astronauten, sondern auch eine wichtige Plattform für Wissenschaftler, auf der sie Spitzenforschung betreiben können. Unter ihnen bringen Weltraumexperimente in der Materialwissenschaft als wichtiges Forschungsfeld der Menschheit eine beispiellose Materialrevolution.

Der Weltraum: Ein neues Feld für die Materialwissenschaften

Auf der Erde kommt es aufgrund der Schwerkraft dazu, dass sich Materialien während des Schmelz- und Verfestigungsprozesses spontan absetzen, was zu Strukturdefekten oder einer verringerten Reinheit des Materials führt und somit dessen Leistung beeinträchtigt. In der Mikrogravitation des Weltraums lässt sich dieses Problem jedoch leicht lösen. Wissenschaftler haben entdeckt, dass Materialien unter den Mikrogravitationsbedingungen des Weltraums gleichmäßig erhitzt und verfestigt werden können, wodurch die Herstellung von Materialien mit besserer Leistung möglich wird.

Beginnend mit der sowjetischen Raumstation Mir führten Wissenschaftler Schmelznutzlasten in der Raumstation ein und erhielten Materialproben mit besserer Leistung in einer Mikrogravitationsumgebung. Heute gibt es in der chinesischen Raumstation Tiangong zwei experimentelle Geräte im Bereich der Materialwissenschaften, den „Containerless Science Experiment Cabinet“ und den „High-Temperature Materials Science Experiment Cabinet“, die von Wissenschaftlern für verschiedene materialwissenschaftliche Forschungen verwendet werden.

Behälterloser Experimentierschrank

**Der behälterlose wissenschaftliche Experimentierschrank befindet sich im Tianhe-Kernmodul. Es handelt sich um eine der ersten experimentellen Plattformen im Weltraum und wird auf der Oberseite des Tianhe-Kernmoduls eingesetzt. **Es nutzt die elektrostatische Schwebetechnologie, um experimentelle Proben ohne Behälter in der Mitte des Hohlraums schweben zu lassen. Diese behälterfreie Umgebung eliminiert äußere Einflüsse auf das Material, wodurch das Material höhere Temperaturen und eine stärkere Unterkühlung erreichen kann, was zu einzigartigen Leistungsverbesserungen in der Materialstruktur führt.

Der gesamte experimentelle Prozess ist sehr magisch. Nach dem Start des Lasers kann die Probe kontinuierlich auf eine Temperatur von über 2000 Grad erhitzt werden. Nachdem die Materialprobe geschmolzen ist, wird sie von der umgebenden Kamera zur Messung des physikalischen Zustands gemessen. Nach dem Erhitzen kühlen die Pellets schnell ab und verfestigen sich, wobei sie in einen tief unterkühlten Zustand übergehen und dann durch die Steuerung eines elektrostatischen Felds wiederhergestellt werden.

Im behälterlosen wissenschaftlichen Experimentierschrank haben Wissenschaftler Weltraumexperimente zu Schlüsselmaterialien wie nickelbasierten Hochtemperaturwerkstoffen und Niob-Silizium-Legierungen durchgeführt, die auch Schlüsselmaterialien für die neue Generation von Flugzeugtriebwerken sind. Diese experimentellen Ergebnisse fördern nicht nur die Forschung und Produktion von Hochleistungsmaterialien, sondern leisten auch einen wichtigen Beitrag für Schlüsselbereiche wie zukünftige Flugzeugtriebwerke.

Hochtemperatur-Materialwissenschaft-Experimentierschrank

Wenn der behälterlose wissenschaftliche Experimentierschrank eine ideale Umgebung zum Studium der physikalischen Eigenschaften von Materialien darstellt, dann ist der Hochtemperatur-Materialwissenschafts-Experimentierschrank eine „Traumfabrik“ für die Herstellung von Materialien im Weltraum . Der Kernkörper dieses Experimentierschranks ist ein Hochtemperaturofen, den wir als „Alchemieofen“ betrachten können. Die Ofentemperatur kann bis zu 1600 Grad Celsius erreichen. Hier können Wissenschaftler Forschung betreiben und verschiedene neue Materialien herstellen.

Je nach Schmelzpunkt oder Eigenschaften der Materialien können Wissenschaftler zwischen verschiedenen Arten von Hochtemperaturöfen wählen. Das Modul zur Verwaltung von Batchproben ist mit 16 Probenboxen bestückt und das Experiment jeder Probe wird über das Steuermodul abgeschlossen. Mithilfe der Röntgentransmissionsbildgebungsausrüstung können die Wissenschaftler am Boden den Verlauf des Experiments in Echtzeit beobachten.

Der Experimentierschrank für Hochtemperatur-Materialwissenschaften unterstützt die Forschung an einer breiten Palette von Materialien, darunter Hochtemperatur-Metall- und Legierungsmaterialien, fortschrittliche Halbleitermaterialien, funktionale Kristallmaterialien, Energiematerialien, Biomaterialien, Nanomaterialien und neue Materialien, die vor Ort nur schwer hergestellt werden können. Diese Materialien sind nicht nur eng mit unserem täglichen Leben verbunden, sondern fördern auch den Fortschritt und die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft.

Weltraumexperimente: Auf dem Weg zu einer Materialrevolution

Durch Experimente zur Weltraummaterialwissenschaft auf der Raumstation Tiangong haben Wissenschaftler eine Reihe bemerkenswerter Ergebnisse erzielt. Diese Ergebnisse verdeutlichen nicht nur den tiefgreifenden Einfluss der Mikrogravitation im Weltraum auf die Materialvorbereitung, sondern liefern auch wertvolle Erfahrungen und Inspirationen für zukünftige materialwissenschaftliche Forschung und Anwendungen.

Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Weltraumtechnologie und der kontinuierlichen Verbesserung experimenteller Weltraumplattformen haben wir Grund zu der Annahme, dass im Weltraumzeitalter die nächste Revolution auf dem Gebiet neuer Materialien bevorsteht. Bei zukünftigen Weltraumexperimenten zur Materialwissenschaft wird der Integration multidisziplinärer, branchenübergreifender und hochmoderner Technologien mehr Aufmerksamkeit gewidmet und die Entwicklung der Materialwissenschaft auf ein höheres Niveau und in breitere Bereiche gefördert.

Materialwissenschaftliche Experimente im Weltraum sind ein wichtiger Ausdruck der menschlichen Erforschung des Unbekannten und des Strebens nach Innovation. Es ermöglicht uns, die unendlichen Möglichkeiten der Materialwissenschaft in der neuen Umgebung des Weltraums zu erkennen und weckt in uns Erwartungen und Sehnsüchte für die Zukunft. Ich bin davon überzeugt, dass wir dank der kontinuierlichen Bemühungen der Wissenschaftler und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Weltraumtechnologie eines Tages Zeuge dieser Materialrevolution werden.