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13-02-2020 | Oberflächentechnik | Im Fokus | Article

Von der Höhlenmalerei zum Hitzeschild

Author:
Thomas Siebel
2:30 min reading time

Der kürzlich gestartete Solar Orbiter setzt die verwendeten Werkstoffe extremen Bedingungen aus. Am Hitzeschild kommt dabei auch ein Material zum Einsatz, das bereits unsere Urahnen kannten.

Mit dem Start der von Esa und Nasa entwickelten Weltraumsonde Solar Orbiter am 10. Februar 2020 begann nicht nur für Astrophysiker eine spannende Mission: Erstmals sollen detaillierte Aufnahmen der Polarregionen auf der Sonne gemacht werden, zusätzlich wollen die Wissenschaftler elektrische Felder, energiereiche Teilchen und seismische Wellen erfassen, um zu einem besseren Verständnis der Heliosphäre  zu gelangen. Damit das gelingt, müssen sich jedoch die eingesetzten Werkstoffe unter extremen Bedingungen bewähren.

Mindestens sieben Jahre lang soll der Orbiter auf einer elliptischen Bahn um die Sonne kreisen. Dabei kommt er dem Stern mit 42 Millionen Kilometern – das ist etwa ein Viertel der Distanz zwischen der Erde und der Sonne – einerseits sehr nah, andererseits entfernt er sich anschließend auch wieder recht weit. Das Raumfahrzeug und die Instrumente müssen auf diesem Kurs Temperaturen von -180 bis 520 Grad Celsius standhalten.

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Hochtemperaturlegierungen

Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb von rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit …

Hitzeschild im Sandwichaufbau

Der Schutz der zehn hochsensiblen Messinstrumente steht und fällt dabei mit dem Hitzeschild. Der 3,1 mal 2,4 Quadratmeter große Aufbau besteht aus mehreren Materialschichten und zwei  dazwischenliegenden Freiräumen, die eine seitliche Ableitung von Infrarotstrahlung in das kalte Vakuum des Weltraums ermöglichen. Die der Sonne zugewandte Seite des Sandwichaufbaus, der eigentliche Hitzeschild, besteht aus 20 dünnen Titanfolien, die auf einer fünf Zentimeter dicken wabenförmigen Aluminiumschicht mit Außenflächen aus Carbon aufgebracht sind – dem stabilen Kern des Aufbaus. Aufgrund ihres geringen Wärmeübergangskoeffizienten reflektieren Titanfolien Hitze besonders stark. Im Temperaturbereich bis 520 Grad Celsius weisen Titanlegierungen zudem höhere Zeitstandfestigkeiten als andere Hochtemperaturlegierungen auf, wie die Springer-Autoren Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel im Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik erläutern.

Titanklammern halten die Schichten des Sandwichs zusammen. Der Hitzeschild sorgt dafür, dass die Temperatur auf der sonnenabgewandten Seite noch maximal 150 Grad Celsius beträgt. Während der Beobachtungsphasen öffnen sich nur kurz Klappen im Schild, sodass die Sensoren Messwerte erfassen können, ohne längere Zeit großer Hitze ausgesetzt zu sein.

Die Beschichtung macht den Unterschied

Besondere Eigenschaften erlangt der Hitzeschild durch die Beschichtung der sonnenzugewandten Titanfolie. Die Solar Black genannte dünne schwarze Schicht besteht aus Kalziumphosphat – einem Pulver, das bereits unsere Vorfahren vor Jahrtausenden für Höhlenmalereien verwendet haben. Außergewöhnlich an Kalziumphosphat ist, dass es laut Nasa auch intensiver UV-Strahlung  standhält und, obwohl es schwarz ist, Wärmestrahlung besonders gut reflektiert.

Aufgetragen wird das Pulver im sogenannten Coblast-Verfahren, das speziell für Hochtemperatur-Beschichtungen entwickelt wurde, wie die Autoren um Conor F. Dunne in einem Beitrag für die Zeitschrift  Shape Memory and Superelasticity beschreiben. Das Verfahren nutzt einen gleichzeitig einfallenden Strahlmittel-Strom und einen Strom von Beschichtungsmittel-Partikeln, wobei das Strahlmittel die Oberfläche aufraut, während es gleichzeitig die passivierende Oxidschicht des Substrats aufbricht und das reaktive Metall freilegt. Der Strom des Beschichtungsmittels reagiert dann mit dem freiliegenden reaktiven Metall, um eine enge chemische Bindung zu bilden.

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