Prüfung flüssiger Photopolymerharze unter Hochvakuum

Raumfahrtausrüstung mit flüssigem Klebstoff bauen

Viele künftige Raumfahrtmissionen stellen sich vor, große Antennen, Ausleger und Sonnensegel direkt im Orbit zu bauen, statt sie komplett von der Erde aus gestartet zu liefern. Ein vielversprechender Ansatz ist, spezielle flüssige Klebstoffe, sogenannte Photopolymere, aus einer Düse zu pressen und mit Licht auszuhärten, um tragfähige Strukturen zu erzeugen. Im nahezu perfekten Vakuum des Weltraums können Flüssigkeiten jedoch verdampfen oder ihr Verhalten auf unerwartete Weise ändern. Diese Studie stellt eine praktische Frage: Welche handelsüblichen Photopolymerharze können harte, weltraumähnliche Vakuumbedingungen überstehen und bleiben dennoch als zuverlässige Baumaterialien brauchbar?

Warum das Vakuum im All für klebrige Flüssigkeiten schwierig ist

In einer fabrikartigen Fertigungsumgebung an Bord eines Raumfahrzeugs würden diese Harze als Flüssigkeiten unter extrem niedrigem Druck verarbeitet—deutlich niedriger als jedes industrielle Vakuum auf der Erde. Unter solchen Bedingungen können kleine, leicht flüchtige Moleküle aus dem Harz entweichen. Dieser Verlust kann die Flüssigkeit eindicken, den lichtgetriebenen Aushärtungsprozess verlangsamen oder schwächen und die endgültige Steifigkeit des Feststoffs verringern. Entweichende Dämpfe können sich außerdem auf empfindlichen Oberflächen wie Kameras oder Solarmodulen niederschlagen, ein Problem, das als Kontamination bekannt ist. Raumfahrtagenturen verlangen daher „ausgasungsarme“ Materialien, die unter Vakuum kaum Masse verlieren oder kondensierbare Dämpfe abgeben.

Vier Kandidatenharze in einem weltraumähnlichen Test

Die Forschenden wählten vier kommerziell verfügbare, UV-härtende Harze aus, die bereits als industrielle Klebstoffe oder Beschichtungen eingesetzt werden. Dazu gehörten zwei hochleistungsfähige Epoxide von Delo, ein faserverstärktes Epoxid von Polymer‑G und ein acrylatiertes Urethan von Loctite. Zuerst wurde gemessen, wie sich jedes Harz „wie geliefert“ sowohl in flüssiger als auch in ausgehärteter Form verhält. Dann wurden die Flüssigkeiten für 24 Stunden bei Raumtemperatur hohem Vakuum ausgesetzt, um eine extreme, aber kontrollierte Version der Verarbeitungsbedingungen im Orbit zu simulieren. Nach dieser Behandlung wurden die Harze erneut auf Viskosität (wie flüssig oder zäh die Flüssigkeit ist), auf ihre Aushärteeffizienz unter ultraviolettem Licht oder Wärme, auf die Temperaturabhängigkeit der Festkörpersteifigkeit und auf den Materialverlust durch Verdampfung geprüft.

Was sich änderte, als die Luft verschwand

Alle vier Harze wurden unter Hochvakuum dicker, wie zu erwarten ist, wenn die kleinsten Moleküle aus der Mischung verdampfen. Bei drei Harzen erhöhte sich die Viskosität moderat—um etwa 4 bis 34 Prozent—während ein Loctite‑Harz sich von einer dünnen Flüssigkeit in ein gummiartiges Gel verwandelte, das mit denselben Instrumenten nicht mehr messbar war. Auch das Licht­aushärteverhalten verschob sich: Ein Delo‑Harz benötigte nach Vakuumexposition mehrere Male mehr UV‑Energie, um dieselbe Aushärtetiefe zu erreichen, was darauf hindeutet, dass wichtige lichtempfindliche Bestandteile teilweise entweicht waren. Im Gegensatz dazu zeigten das Polymer‑G‑Harz und eine Delo‑Formulierung praktisch dasselbe Aushärteverhalten vor und nach dem Vakuum, was auf eine robustere Rezeptur hindeutet.

Wie stark und sauber die finalen Feststoffe blieben

Nach dem Aushärten wurden die Harze wie Miniaturbalken getestet und beim Erwärmen sanft gebogen. Alle Materialien zeigten ein gewisses „Nachhärten“ beim Erwärmen, das heißt, ihre inneren Netzwerke verriegelten sich weiter und verfestigten sich. Nach Vakuumexposition verloren mehrere Harze bei bestimmten Temperaturen bis zu etwa ein Drittel ihrer Steifigkeit, wahrscheinlich weil winzige Hohlräume oder Blasen entstanden, während Dämpfe entkamen. Ihre grundlegenden Übergangstemperaturen—bei denen sie deutlich aufweichen—veränderten sich jedoch bei drei der vier Harze kaum, was darauf hindeutet, dass die zugrunde liegende Chemie größtenteils intakt blieb. Ausgasungstests ergaben ein gemischteres Bild: Alle Flüssigkeiten verloren unter heißem Vakuum mehr als 1 Prozent ihrer Masse, aber zwei der ausgehärteten Delo‑Harze blieben sicher unter den gängigen Grenzwerten für Weltraumkontamination, während die beiden anderen ausgehärteten Systeme diese Grenzwerte nicht einhielten.

Die vielversprechendsten Klebstoffe für den Raumfahrtbau auswählen

Aus Sicht von Konstrukteuren ist die Botschaft vorsichtig optimistisch. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass zwei Materialien—Delo Katiobond GE680 und Polymer‑G EPV9511—als praktische Kandidaten für die Fertigung im Weltraum hervorstechen, vorausgesetzt, die Ingenieure entfernen eingeschlossene Luft und flüchtige Bestandteile durch sorgfältiges Vorentgasen und begrenzen die Vakuumexpositionszeit während des Druckens oder Verbindens. Beide Harze blieben nach einer aggressiven 24‑stündigen Vakuumbehandlung weiterhin härtbar, und ihre Festigkeit im festen Zustand, wenn auch leicht reduziert, blieb für strukturelle Anwendungen ausreichend hoch. Die anderen beiden Harze litten unter übermäßigem Masseverlust, starker Eindickung oder unzuverlässiger Steifigkeit bei höheren Temperaturen und sind daher ungeeignet für den Bau von Hardware im Orbit. Insgesamt liefert die Arbeit eine erste systematische Roadmap zur Auswahl flüssiger Photopolymere für Weltraumfabriken und rückt die Idee, große Strukturen im Vakuum des Alls „3D‑zu­drucken“, einen Schritt näher an die Realität.

Zitation: Kringer, M., Pimpi, J., Sinn, T. et al. Screening of liquid photopolymer resins exposed to high-vacuum. npj Adv. Manuf. 3, 5 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-025-00066-5

Schlüsselwörter: Fertigung im Weltraum, Photopolymerharz, Hochvakuum, Ausgasen, Weltraumstrukturen