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Raketenexperiment zeigt: Metallkristalle drehen sich ohne Schwerkraft weniger
Beim Erstarren flüssiger Metalle wachsen verzweigte Kristallstrukturen, deren Entwicklung die spätere Mikrostruktur eines Bauteils mitprägt. Ein Raketenexperiment zeigt nun, dass solche Dendriten unter Mikrogravitation ihre Wachstumsrichtung deutlich weniger verändern als auf der Erde. Die Daten sollen helfen, Modelle der Erstarrung unter weitgehend störungsfreien Bedingungen zu prüfen und zu verbessern.
Manchester (England). Gießen, Schweißen und metallischer 3D-Druck hängen davon ab, wie eine Schmelze erstarrt. Dabei entstehen Dendriten, verzweigte Kristallstrukturen, deren Wachstum von Wärmefluss, gelösten Legierungsbestandteilen und ihrer kristallografischen Orientierung beeinflusst wird, während schwerkraftbedingte Konvektion auf der Erde zusätzlich die Schmelze bewegt und den Transport von Wärme und gelösten Stoffen verändert.
Mikrogravitation bietet die Möglichkeit, diesen Einfluss weitgehend auszuschalten und die Erstarrung unter nahezu diffusionskontrollierten Bedingungen zu beobachten. Dafür wurde eine 0,2 Millimeter dünne Scheibe aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung an Bord der Forschungsrakete MASER-13 aufgeschmolzen und wieder abgekühlt, während 359 Sekunden Mikrogravitation von rund 10⁻⁴ g herrschten und Röntgenaufnahmen das Dendritenwachstum in Echtzeit aufzeichneten.
Forscher von The University of Manchester (UoM) um Dr. Wajira Mirihanage haben diese Bildfolgen nun quantitativ ausgewertet und mit einem unter Erdschwerkraft aufgenommenen Vergleichsversuch mit gleicher thermischer Vorgeschichte abgeglichen. Eine eigens entwickelte Analyse mit maschinellem Lernen erkannte einzelne Dendriten Bild für Bild und bestimmte unter anderem ihre Armlängen, Wachstumsrichtungen und Rotationen.
Der deutlichste Unterschied zeigte sich bei der Orientierung der wachsenden Kristallarme, deren Wachstumsrichtung sich unter Mikrogravitation im Mittel nur um rund zwei Grad änderte, während es im erdgebundenen Vergleich mehr als fünf Grad waren. Die Forscher führen die stärkere Rotation auf der Erde auf auftriebsbedingte Strömungen in der Schmelze zurück.
Andere Kenngrößen fielen ähnlicher aus, denn die mittlere Keimbildungstemperatur lag in beiden Versuchen bei etwa 620 Grad Celsius. Die höchsten Wachstumsgeschwindigkeiten der primären Dendritenarme traten in den ersten rund 20 Sekunden nach der Keimbildung auf, erreichten ungefähr 40 Mikrometer pro Sekunde und gingen danach bei langsamer Kühlung stark zurück.
„Es ist wirklich eindrucksvoll zu sehen, wie dasselbe Metall unterschiedlich wachsen kann, je nachdem, ob Schwerkraft vorhanden ist. Die Rakete gab uns sechs Minuten, um diesen Prozess zu beobachten, während Röntgenaufnahmen in Echtzeit festhielten, was im Metall geschah. Anschließend nutzten wir maschinelles Lernen, um die große Datenmenge auszuwerten und ein deutlich klareres Bild davon zu gewinnen, wie diese Dendriten tatsächlich entstehen und wachsen. Das könnte uns letztlich helfen, die Erstarrung besser zu kontrollieren und künftig die Herstellung von Metallbauteilen zu verbessern“, erklärt Dr. Fan Wu von The University of Manchester (UoM).
Nach dem Flug untersuchte das Team die erstarrte Probe zusätzlich mit hochauflösender Röntgentomografie und Elektronenrückstreubeugung, wodurch sich die dreidimensionale Form der Dendriten mit ihrer Kristallorientierung verknüpfen ließ. Die meisten Dendriten folgten den erwarteten Wachstumsrichtungen innerhalb der {100}-Ebenen des Kristallgitters, einzelne zeigten aber auch unter Mikrogravitation eine ungewöhnliche ⟨110⟩-Orientierung.
Damit verschwinden ungewöhnliche Wachstumsrichtungen nicht einfach, wenn schwerkraftbedingte Strömungen fehlen, denn die Analyse deutet auch auf lokale Wechselwirkungen zwischen benachbarten Kristallen und die kristallografische Richtungswahl als Einflussgrößen hin. Zugleich blieb die Rotation unter Mikrogravitation gering, wobei für die nachträgliche dreidimensionale Charakterisierung allerdings nur die Flugprobe zur Verfügung stand.
Für die Mat