Nanodünne Schichten machen Satellitenfolien robuster

Forschende der Empa untersuchen wenige Nanometer dünne Zwischenschichten, die flexible Verbundfolien widerstandsfähiger machen – mit Potenzial über die Raumfahrt hinaus.

Dünne Metallfolien gehören zu den bekanntesten Bauteilen von Satelliten und Raumsonden. Als sogenannte Multilayer- oder Super-Insulation schützen sie empfindliche Elektronik vor extremen Temperaturschwankungen im All. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa wollen diese Folien nun gezielt verbessern. Im Fokus stehen nanometerdünne Zwischenschichten, die die mechanischen Eigenschaften der Verbundmaterialien deutlich verändern können.

Bei Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn treten laut Empa Temperaturunterschiede von rund 200 ℃ zwischen sonnenzugewandter und schattiger Seite auf. Zusätzlich wechseln diese Bedingungen bis zu 16 Mal pro Tag, wenn ein Satellit in den Erdschatten ein- und wieder austritt. "Elektronik arbeitet am besten bei Raumtemperatur", erläutert Empa-Forscherin Barbara Putz. Entsprechend hohe Anforderungen gelten auch für die Isolationsmaterialien selbst.

Gezielter Blick auf die Grenzfläche

Als Basismaterial für Superisolationsfolien kommt meist Polyimid zum Einsatz, ein Polymer mit hoher Temperatur- und Vakuumbeständigkeit. Eine dünne Aluminiumschicht sorgt für die reflektierenden Eigenschaften. Dass Metall und Polymer zuverlässig haften, liegt laut Empa an einer nur wenige Nanometer dicken Zwischenschicht, die sich während der Beschichtung bildet. Diese Grenzschicht untersucht Putz nun systematisch. Für das Projekt erhielt sie eine Ambizione-Förderung des Schweizerischen Nationalfonds.

Gemeinsam mit ihrer Doktorandin Johanna Byloff nutzt sie ein vereinfachtes Modellsystem: eine 50 µm dicke Polyimidfolie, beschichtet mit 150 nm Aluminium. Dazwischen wird gezielt eine fünf Nanometer dünne Schicht aus Aluminiumoxid aufgebracht. Zum Einsatz kommt eine Beschichtungsanlage des Empa-Spinoffs Swiss Cluster AG, die mehrere Prozesse ohne Unterbrechung des Vakuums erlaubt.

Mehr Elastizität, weniger Risse

Mechanische Tests, Temperaturwechsel und materialanalytische Untersuchungen zeigen laut Empa deutliche Effekte: Die gezielte Zwischenschicht erhöht die Elastizität des Verbunds und macht ihn widerstandsfähiger gegen Rissbildung und Abplatzungen. Künftig wollen die Forschenden sowohl die Schichtdicke variieren als auch andere Polymermaterialien untersuchen. "Die natürliche Zwischenschicht bildet sich nur auf wenigen Polymeren und nur bis zu einer Dicke von etwa fünf Nanometern", sagt Putz. Das habe bisher den Einsatz eingeschränkt.

Neben der Raumfahrt sehen die Forschenden Anwendungsfelder in der flexiblen Elektronik. Mehrlagige, metallbeschichtete Polymerfolien sind dort ebenfalls zentral, etwa für faltbare Displays, intelligente Textilien oder medizinische Sensoren. Verbesserte Grenzschichten könnten laut Empa dazu beitragen, solche Systeme langlebiger und mechanisch robuster zu machen.