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SPACE SHUTTLE
Haltbarere Bauteile durch deutsche Forscher
Redaktion
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17. Oktober 2000

Die Belastungen, denen die amerikanischen Raumfähren beim Start ausgesetzt sind, sind enorm: So manches Bauteil muss nach einer Mission gründlich inspiziert und bei Bedarf ausgewechselt werden. Dank eines neuen Härtungsverfahrens Freiburger Wissenschaftler dürften zumindest einige Lager bald länger halten.

Hybridlager mit Kugeln aus Siliciumnitrid
Ein Hybridlager mit Kugeln aus Siliciumnitrid Foto: idw

Der Start eines Space Shuttles ist nicht nur für die Astronauten an Bord anstrengend, auch das Material der Raumfähre wird bis auf äußerste belastet: Hochdruck-Turbopumpen drücken pro Sekunde mehr als siebzig Kilogramm flüssigen Wasserstoff und fast eine halbe Tonne flüssigen Sauerstoff in jedes der drei Haupttriebwerke. Bei einer Temperatur von -250 Grad werden die verwendeten metallischen Bauteile durch den Wasserstoff extrem belastet. Und das hatte Folgen: Bisher mussten die Lager der Pumpen nach jedem Flug ausgebaut und gewartet werden. Doch das wird im kommenden Jahr anders - mindestens 12 Starts sollen die neuen Lager aushalten bis sie gewartet werden müssen. Der Grund: neue Bauteile aus dem harten keramischen Werkstoff Siliciumnitrid.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben dazu ein Verfahren entwickelt, um die Oberflächen von Keramiken mit einem Verfahren zu härten, das in der Metallbearbeitung bereits etabliert ist: das Kugelstrahlen. Ein Bombardement mit Kugeln kann eine Metalloberfläche weiter verdichten - Keramiken hingegen bekamen bisher Risse oder brachen. Die Forscher untersuchten nun systematisch, wie die Oberfläche von Keramiken beim Kugelbeschuss verändert wird. Die Größe und das Material der Kugeln musste dabei ebenso berücksichtigt werden, wie deren Geschwindigkeit und die Dauer der Bestrahlung. Findet man die optimalen Werte, hat das auf das Material entscheidende Auswirkungen:  "Nachdem die Keramiken bei optimalen Parametern bestrahlt wurden, lassen sie sich an der Oberfläche bis zu fünfzig Prozent stärker belasten, ohne dass sie brechen. Nicht einmal feinste Risse treten auf. Bis zu zweieinhalb Mal länger hält ein Lager mit dieser Oberflächenhärtung," erläutert Dr. Wulf Pfeiffer. 

Mittlerweile wird das Verfahren der Freiburger Forscher von einem Unternehmen so weiter entwickelt, dass Hochleistungslager aus Siliciumnitrid serienmäßig gehärtet werden können. Keramische Lager kommen in vielen Anwendungen ohne Schmierung aus. Ganz trocken laufen sie beispielsweise in Kompressoren; in der Getränke- und Lebensmitteltechnologie schmiert sie das Fördermedium selbst - und im Space Shuttle übernimmt dies der flüssige Wasserstoff.

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