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.