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Gewöhnlicher Kunststoff kann ein großes Problem von Mondstationen lösen
Robust statt zerbrechlich: Viele leistungsfähige Dämmstoffe bremsen den Wärmefluss, vertragen aber Druck und Stöße schlecht. Gestapelte Schichten aus dem Alltagskunststoff Mylar erreichen in Laborversuchen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und widerstehen zugleich hohen Belastungen. Das könnte künftige Mondstationen schützen, doch bislang gibt es nur winzige Proben.
Philadelphia (U.S.A.). Auf dem Mond können starke Hitze und extreme Kälte auftreten. Eine dauerhaft bewohnte Station müsste ihren Innenraum deshalb gegen große Temperaturunterschiede abschirmen. Zugleich müssen die dafür benötigten Baustoffe den Transport und die Montage unbeschadet überstehen.
Gute Isolation allein genügt also nicht. Beim Aufbau einer Station werden Materialien gebogen, gepresst und immer wieder angefasst. Aerogele sind zwar leicht und dämmen Wärme wirksam, können aber mechanisch empfindlich sein. Übliche mehrlagige Folienisolierungen wiederum sind nicht dafür ausgelegt, größere Drucklasten aufzunehmen.
Forscher der University of Pennsylvania um Igor Bargatin haben nun extrem dünne Folien aus biaxial orientiertem Polyethylenterephthalat (BoPET), bekannt als Mylar, zu dichten Paketen gestapelt. Derselbe Kunststoff wird auch für Verpackungen und, mit Metallbeschichtung, für glänzende Rettungsdecken eingesetzt. Für die neuen Dämmstapel beschichtete das Team einen Teil der Folien ein- oder beidseitig mit Aluminiumoxid, um sie zu versteifen.
Untersucht wurden Folien mit Dicken von 2,5, 5 und 12,5 Mikrometern. Auf einen Millimeter Stapelhöhe kamen nominell 80 bis 400 Schichten. Die besten Proben erreichten im Vakuum bei 0,1 Megapascal Anpressdruck eine Wärmeleitfähigkeit von nur 2,2 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Das gilt für den untersuchten Temperaturbereich von 35 bis 120 Grad Celsius und liegt in der Größenordnung leistungsfähiger Vakuumdämmstoffe.
Die Folienpakete erwiesen sich zudem als bemerkenswert druckfest. In getrennten mechanischen Versuchen hielten die beschichteten Proben Belastungen von mehr als 20 Megapascal aus, ohne ihre untersuchten Eigenschaften wesentlich einzubüßen. Proben überstanden außerdem zehn aufeinanderfolgende Zyklen hoher Druckbelastung.
Damit könnte der neue Aufbau einen Nachteil anderer Dämmstoffe umgehen: Häufig geht eine bessere mechanische Stabilität auf Kosten der Isolierwirkung. Bei den kleinen Mylar-Stapeln ließ sich beides im Labor verbinden. Ob dies auch nach jahrelangem Einsatz und bei großen Bauteilen funktioniert, ist allerdings noch offen.
„Für die Mondinfrastruktur hätten wir idealerweise gern beides“, erklärt Igor Bargatin.
Ein unscheinbares Detail beeinflusst die Dämmleistung offenbar stärker als erwartet. Hersteller setzen Mylar winzige Partikel zu, damit die dünnen Kunststoffbahnen beim Verarbeiten nicht aneinanderhaften. Diese sogenannten Antiblocking-Partikel halten benachbarte Schichten auf Abstand, schaffen aber zugleich punktuelle Kontakte. Messungen und Modellrechnungen deuten darauf hin, dass im Vakuum vor allem über diese Kontakte Wärme weitergegeben wird.
Deshalb führt eine immer dünnere Folie nicht zwangsläufig zu einer besseren Isolierung. Die dünnsten erfolgreich untersuchten, mit Aluminiumoxid beschichteten Folien dämmten ähnlich gut wie solche mittlerer Stärke. Vermutlich schufen ihre Partikel zusätzliche Kontaktstellen für die Wärmeleitung. Die Größe und Verteilung solcher Partikel könnten künftig gezielt angepasst werden, um die Dämmwirkung weiter zu verbessern.