Thermophysikalische Eigenschaften und Erstarrungsverhalten von flüssigem Vit106a in der Mikrogravitation

Warum uns der Weltraum hilft, besondere Metalle zu verstehen

Einige Metalle lassen sich in einen glasähnlichen Zustand erstarren, wodurch sie ungewöhnliche Festigkeit und Zähigkeit erhalten — Eigenschaften, die Ingenieure gern in Anwendungen von Raumfahrzeugen bis zu medizinischen Geräten nutzen würden. Große Teile aus diesem „metallischen Glas“ herzustellen ist jedoch schwierig, weil die Schmelze schnell genug abgekühlt werden muss, um die Kristallbildung zu vermeiden. Diese Arbeit beschreibt, wie Wissenschaftler an Bord der Internationalen Raumstation die Mikrogravitation nutzten, um genau zu messen, wie eine vielversprechende Legierung namens Vit106a sich als Flüssigkeit verhält und wie sie erstarrt — grundlegende Kenntnisse für die Fertigung großer, leistungsfähiger Bauteile aus metallischem Glas.

Ein Metall, das unbedingt Glas werden will

Bulk­metallische Gläser sind Metalllegierungen, deren Atome in einer ungeordneten Anordnung eingefroren sind, eher wie Fensterglas als wie ein typischer Kristall. Diese Struktur kann ihnen hohe Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit verleihen. Vit106a ist eine zirkoniumbasierte Legierung, die speziell so entwickelt wurde, metallisches Glas zu bilden, ohne toxische Elemente wie Beryllium zu verwenden. Auf der Erde lassen sich kleine Kügelchen aus Vit106a mit nur wenigen Millimetern Durchmesser bei relativ moderaten Abkühlraten verglasen, was darauf hindeutet, dass die Legierung für größere Bauteile geeignet sein könnte. Für eine kontrollierte industrielle Formgießerei benötigen Ingenieure jedoch genaue Daten darüber, wie die geschmolzene Legierung fließt, Wärme abstrahlt und Energie über einen weiten Temperaturbereich speichert — Daten, die auf der Erde schwer zu erhalten sind, weil Schwerkraft und Gefäßwände die Flüssigkeit stören.

Das Metall im Raum schweben lassen

Um diese Einschränkungen zu überwinden, verarbeitete das Team eine 6,5‑Millimeter‑Vit106a‑Kugel in einem elektromagnetischen Levitiator an Bord der Internationalen Raumstation. Starke Spulen hielten den Tropfen schwebend und erhitzten ihn, ohne dass ein Gefäß ihn berührte. In dieser nahezu schwerelosen Umgebung ließen die Forscher den Tropfen sanft schwingen, um zu messen, wie schnell Oberflächenwellen sich ausbreiten und abklingen — daraus ließen sich Oberflächenspannung und Viskosität (ein Maß dafür, wie dünn- oder zähflüssig die Schmelze ist) ableiten. Außerdem nutzten sie ein sorgfältig moduliertes Heizsignal, um zu bestimmen, wie effizient der Tropfen Wärme abstrahlte und wie viel Energie benötigt wurde, um seine Temperatur zu erhöhen — daraus erhielten sie Emissivität und spezifische Wärmekapazität.

Was die flüssige Legierung offenbarte

Die Messungen zeigten, dass die Oberflächenspannung von Vit106a im untersuchten hohen Temperaturbereich nahezu konstant bleibt und sehr ähnlich zu anderen zirkoniumreichen Legierungen ist, was nur schwache oberflächengetriebene Strömungen in der Schmelze erwarten lässt. Die Viskositätsdaten zeigten, dass sich die Flüssigkeit bei hohen Temperaturen als relativ „fragiles“ Fluid verhält, dessen Fließwiderstand sich stark mit der Temperatur ändert. In Kombination mit früheren Messungen bei niedrigen Temperaturen von anderen Gruppen deutet die Analyse darauf hin, dass Vit106a beim Abkühlen in Richtung Glasübergang von einem fragileren zu einem stärker „stark‑ähnlichen“ Verhalten übergeht — ein Effekt, der bei anderen Legierungen mit subtilen Umordnungen in der atomaren Struktur der Flüssigkeit in Verbindung gebracht wird. Die spezifische Wärmekapazität der vollständig geschmolzenen Legierung wurde etwas höher ermittelt als einige bodengestützte Schätzungen, wodurch das thermodynamische Bild für Gießsimulationen verfeinert wird.

Wenn das Abkühlen schnell, aber trotzdem nicht schnell genug ist

Nach den Eigenschaftsmessungen durfte der Tropfen im Levitiator frei mit etwa 16 Kelvin pro Sekunde abkühlen — deutlich schneller als die zuvor berichtete kritische Abkühlrate, die für das Verglasen kleiner Vit106a‑Proben ausreichend gewesen sein soll. Überraschenderweise zeigten die Temperaturaufzeichnungen eine deutliche Plateaubildung, die mit Kristallisation verbunden war. Detaillierte Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie auf der Erde bestätigten, dass die Kugel vollständig kristallin und nicht glasig geworden war. Die erstarrte Kugel enthielt mehrere einfache zirkoniumbasierte Verbindungen und große innere Hohlräume, was darauf hindeutet, dass Kristalle an der Oberfläche zu wachsen begannen und nach innen vordrangen, wobei Material aus der Mitte weggezogen wurde. Dieses Verhalten deutet auf heterogene Keimbildung hin, bei der winzige Verunreinigungen oder strukturelle Fluktuationen als Startpunkte für Kristalle dienen, und wirft Zweifel darauf auf, wie leicht Vit106a in größeren Gussstücken Glas bilden kann.

Was das für zukünftige Bauteile aus metallischem Glas bedeutet

Die Studie liefert einen präzisen Satz thermophysikalischer Daten für geschmolzenes Vit106a unter nahezu idealen Mikrogravitationsbedingungen und zeigt, dass die Legierung trotz ihres Rufs als ausgezeichneter Glasformer in größeren Volumina eher zur Kristallisation neigen kann, als frühere Arbeiten an winzigen Proben nahelegten. Für Ingenieure heben diese Ergebnisse hervor, dass eine erfolgreiche großskalige Produktion nicht nur ausreichend schnelle Abkühlung erfordert, sondern auch strenge Kontrolle von Sauerstoff und anderen Verunreinigungen, sorgfältiges Management der Anfangstemperatur vor dem Abkühlen und realistische Erwartungen hinsichtlich des Einflusses der Gießdicke auf die Glasbildung. Die neuen Messwerte können nun in Computersimulationen einfließen, die dabei helfen, Gießprozesse und Hardware zu entwerfen und das Ziel zuverlässiger, großer Bauteile aus metallischem Glas einen Schritt näher zu bringen.

Zitation: Terebenec, D., Mohr, M., Wunderlich, R. et al. Thermophysical properties and solidification behavior of liquid Vit106a in microgravity. npj Microgravity 12, 26 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00572-6

Schlüsselwörter: Bulk­metallischer Glas, Mikrogravitationsverarbeitung, Legierung Vit106a, Metallerstarrung, thermophysikalische Eigenschaften