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TU Graz-Physiker untersuchen Stahl an Bord der ISS

Für das Institut für Experimentalphysik geht es buchstäblich ins All: Die Forschenden beteiligen sich an einem Versuch an Bord der internationalen Raumstation um die Oberflächenspannung von Böhler-Stahl zu messen.

Peter Pichler (links) mit Arbeitsgruppen-Leiter Gernot Pottlacher (rechts). Aus dem Stahl-Stab in ihren Händen wurden die kleinen Kugeln geschnitten, die nun auf der ISS untersucht werden. © TU Graz

„Wir haben da etwas Tolles für Sie.“ Wenn Experimentalphysiker Gernot Pottlacher mit diesen Worten ein Telefonat beginnt, dann steckt auch wirklich genau das dahinter: Etwas wirklich Tolles nämlich. In diesem Fall: Eine Reise auf die internationale Raumstation. Zwar nicht für die Forschenden der TU Graz selbst, aber für eine Materialprobe, die in der Erdumlaufbahn untersucht wird.

Schwebende Stahl-Proben

Seit vielen Jahren forschen das Institut für Experimentalphysik der TU Graz und das steirische Industrieunternehmen voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG gemeinsam an der Oberflächenspannung und Temperaturabhängigkeit unterschiedlicher Stahl-Arten. „Diese Daten sind sowohl für die Wissenschaft als auch die Industrie von größter Bedeutung“, erklärt Pottlacher. „Sie zeigen, wie sich das Material verhält, wenn es erhitzt und abgekühlt wird – wie es von der festen in die flüssige Phase übergeht und wieder retour.“ Vor allem Stahl steht im Zentrum des Interesses, weil er im metallischen Laser-3D-Druck eingesetzt werden soll, um zukünftig eben auch Bauteile aus Stahl mithilfe dieser neuen Umschmelztechnologie zu fertigen.

Herkömmliche Untersuchungsmethoden funktionieren nur bis zu einer bestimmten Temperatur-Obergrenze. Bei höheren Temperaturen kann es zu Problemen mit dem Probenbehälter kommen – etwa zu Wechselwirkungen von Container und Probe – das würde die Messergebnisse verfälschen. Deshalb greifen Pottlacher und seine Arbeitsgruppe auf die Methode der Levitation zurück, die für die Untersuchung solcher Materialien genutzt wird. „Wir lassen die Proben elektromagnetisch oder elektrostatisch schweben und vermeiden so eine Berührung mit dem Probenbehälter.“ Auf der Erde ist die Schwerkraft eine nicht unwesentliche Komponente, die das Messergebnis beeinflusst – im Weltall fällt ihr Einfluss aber weg und so sind genauere Messungen möglich.

Gesteuert (und zugesehen) wird von der Erde aus

Für die Versuche arbeitet das steirische Team mit japanischen und US-amerikanischen Forschenden zusammen und nutzt das Electrostatic Levitation Furnace – kurz ELF. ELF ist ein Versuchsaufbau der Japanischen Aerospace Exploration Agency (JAXA) im japanischen Experimentiermodul Kibo auf der internationalen Raumstation. Die Probe wird in das Versuchsgerät eingespeist und positioniert. Ein Laser erhitzt und schmilzt die schwebende Stahl-Probe. Danach messen verschiedenste Sensoren die Dichte, Oberflächenspannung und Viskosität des geschmolzenen Materials. Kühlt das Material wieder ab, können die Forschenden auch diesen Prozess genau beobachten und vermessen. Gesteuert wird der Versuch von der Erde aus, wo Pottlacher und sein Team das Geschehen auch live verfolgen und wohin die ermittelten Daten direkt via Downlink gesendet werden.

Das L625 ELF-Experiment ist eine Zusammenarbeit diverser Forschender und Forschungseinrichtungen, an dem neben der Arbeitsgruppe an der TU Graz noch folgende WissenschafterInnen beteiligt sind: Douglas Matson (Tufts University), Robert W. Hyers (University of Massachusetts), Michael P. Sansoucie (NASA Marshall Space Flight Center), Hirohisa Oda (Japan Aerospace Exploration Agency), Jannatun Nawer (Tufts University), Hideki Saruwatari (Japan Aerospace Exploration Agency), Chihiro Koyama (Japan Aerospace Exploration Agency), Wolfgang Schützenhöfer (voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG) und Siegfried Kleber (voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG).

Stahl L625

„Um an Bord der ISS in einen Versuch eingebunden zu werden, muss das Material bereits in der Raumfahrt eingesetzt sein“, erzählt Pottlacher. „Ein US-amerikanischer Kollege war auf der Suche nach genau diesem Material, das wir untersuchen. Der Stahl vom Typ L625 ist bereits in Raketentriebwerken eingebaut und wird unter anderem von unserem langjährigen Partner voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG hergestellt.“ Nach Abschluss der Tests werden die Daten an der TU Graz im Rahmen einer breit angelegten Dissertation veröffentlicht, wie Pottlacher erklärt: „Peter Pichler untersucht in seiner Arbeit einen vollständigen Datensatz eines Materials in flüssiger Form. Er hat es dazu bereits auf vielfältigste Weise analysiert. Jetzt kommen die Daten von der ISS dazu und im Herbst wird der Stahl noch einmal in der Schwerelosigkeit untersucht – an Bord eines Parabelfliegers.“

Zwei Hände halten einen Stahl-Stab auf dem L331 steht.

Auf der ISS wird Stahl L625 von voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG untersucht.

Kontakt

Gernot POTTLACHER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Experimentalphysik
Petersgasse 16
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8149
pottlachernoSpam@tugraz.at