Airbus Defence and Space hat den Electromagnetic Levitator (EML) gebaut. Der EML ist ein tiegelfreier Schmelzofen für die Materialforschung im europäischen Weltraumlabor Columbus. Die Anlage soll Erkenntnisse über Hightech-Legierungen und -Halbleitermaterialien und deren Eigenschaften im geschmolzenen Zustand liefern.
Diese werden für die Optimierung von industriellen Gießvorgängen und in der Grundlagenforschung genutzt. Der EML und die erste Probencharge sind Teil der Fracht, das voraussichtlich im Juni vom fünften und letzten europäischen Versorgungsfahrzeug ATV-5 (Automated Transfer Vehicle) zur Internationalen Raumstation ISS gebracht wird. Airbus Defence and Space (ehemals Astrium) hat die Experimentieranlage, die auf dem Prinzip der elektromagnetischen Schwebetechnik (Levitation) beruht, im Rahmen von Aufträgen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) entwickelt.
Induktive Heizung und Vermengung durch Levitation
Mindestens bis zum Jahr 2020 soll in der einzigartigen Experimentieranlage eine Vielzahl von Tests an Metall- und Halbleiterproben stattfinden, die induktiv auf bis zu 2.000 Grad Celsius aufgeheizt und mittels elektromagnetischer Levitation berührungsfrei prozessiert werden können. Verschiedene Teams aus der Material- und Produktionsforschung erhoffen sich hochpräzise Daten zu den temperaturabhängigen thermophysischen Schmelzeigenschaften moderner Materialien, die für komplexe Gieß- und Erstarrungsprozesse in der großtechnischen Teileherstellung eine entscheidende Rolle spielen. Für das freie Schweben unter Schwerelosigkeitsbedingungen sind nur geringe Levitationskräfte erforderlich, zudem werden die Proben nicht durch elektromagnetischen Druck deformiert, der eine Vermessung der Eigenschaften des Materials verfälschen würde.
Modernes Leben ist ohne Produkte aus Hightech-Materialien heute kaum mehr vorstellbar. Sie werden in industriellen Gütern wie Turbinenschaufeln für Düsenflugzeuge oder saubereren Motoren für Autos eingesetzt. Weitere Anwendungen sind Supermetalle für elektronische Bauteile und leistungsstarke Magnete sowie medizinische Produkte, wie künstliche Gelenke und Prothesen.
EML-Anlage lädt Proben wie im Revolver
Hightech-Materialien finden sich auch in feinen Metallstäuben, die als Katalysatoren in chemischen Reaktionen fungieren. Ein genaues Verständnis der Materialeigenschaften im flüssigen Zustand, aus denen sich Gießmodell- und Erstarrungs-Parameter für diese Hightech-Materialien ableiten lassen, sind sowohl für die Überwachung der Teileproduktion als auch für die Qualität der hergestellten Produkte entscheidend.
Dazu wird in der neuen EML-Anlage, die im Europäischen Experimentalschrank (European Drawer Rack – EDR) des Columbus-Labors an Bord der ISS installiert wird, eine kontinuierliche Versuchsreihe durchgeführt. Die insgesamt rund 360 Kilogramm schwere EML-Anlage besteht aus vier Baugruppen, deren Herzstück das Experimentmodul (EXM) ist. Die in speziellen Behältern aus Keramik und Rhenium gelagerten Proben werden ähnlich wie bei einem Revolvermagazin der Prozesskammer zugeführt. In diesem Magazin sind 18 Metallkugeln (z. B. verschiedene Aluminium-, Kupfer- und Nickel-Legierungen) als Experimentproben bevorratet.
Geschmolzener Probentropfen in Schwerelosigkeit
Jeweils eine Materialprobe wird in einem mit einer Spule erzeugten elektromagnetischen Feld aufgeschmolzen und durch die elektromagnetischen Felder frei schwebend positioniert. An diesem schwebenden Flüssigkeitstropfen lässt sich eine Vielzahl von Parametern gleichzeitig messen. Alle Experimente werden mit schmelztiegel- und berührungsfreien Verfahren durchgeführt. Messbeeinträchtigungen, die bei herkömmlichen Tiegelschmelzmethoden auf der Erde entstehen, treten dabei nicht auf. Kontrolliert und gesteuert wird der EML während des Betriebs vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (Microgravity User Support Center – MUSC) des DLR in Köln. Dort können die Experimentatoren die Schmelzvorgänge in Echtzeit verfolgen: Eine digitale Video-Beobachtungskamera und eine Hochgeschwindigkeitskamera, die bis zu 30.000 Bilder pro Sekunde aufzeichnen kann, sowie ein Pyrometer erfassen jedes Detail.
Vor ihrem Flug zur ISS wurden die Eigenschaften der einzelnen Materialproben bereits auf Parabelflügen in der DLR-Materialforschungsanlage Tempus für tiegelfreies elektromagnetisches Prozessieren unter Schwerelosigkeit charakterisiert. Die auf der ISS prozessierten Proben können später auch zur Erde zurückgebracht werden, um den Forschern weitergehende Untersuchungen zu ermöglichen.
Der EML wurde von den Teams von Airbus Defence and Space Space Systems, das als Hauptauftragnehmer auftritt, entwickelt und gebaut. Die Experten am Standort Friedrichshafen haben mehr als 25 Jahre Erfahrung auf diesem Gebiet. Im Rahmen des „Tempus“-Projekts wurden bereits Flugeinheiten für Parabelflüge (20 Sekunden Experimentierzeit), für Höhenforschungsraketen (sechs Minuten Experimentierzeit) und in den 1990er-Jahren für drei Spacelab-Einsätze an Bord der US-Space-Shuttles (1-2 Wochen Missionszeit) gebaut. Heute ermöglichen die ISS-Labore kontinuierlichen Zugang zu Experimentmöglichkeiten in der Schwerelosigkeit.
