„Bauteile auf Mond oder Mars fertigen“

Christoph Lotz

Welt der Physik: Mit welchem Verfahren beschäftigen Sie sich zurzeit?

Christoph Lotz: Gerade arbeiten wir daran, das pulverbasierte Laserauftragschweißen weltraumtauglich zu machen. Das ist ein sehr flexibles und vielseitiges 3D-Druckverfahren, das Material in Pulverform verarbeitet – um daraus Bauteile zu fertigen, zu reparieren oder zu beschichten. Dafür schmilzt ein Laserstrahl die Oberfläche eines Werkstücks lokal auf, während gleichzeitig Pulver mithilfe eines Trägergases in das entstehende Schmelzbad eingebracht wird. Durch die Bewegung des Lasers und die kontinuierliche Pulverzufuhr erstarrt das Material schichtweise und baut so Stück für Stück ein Bauteil auf.

Warum interessiert Sie dieses Verfahren besonders?

Lotz: Das Verfahren könnte sich besonders gut eignen, um in Zukunft Bauteile auf dem Mond oder Mars zu bearbeiten. Es könnte genutzt werden, um Defekte an Oberflächen zu reparieren oder um Oberflächen zu ergänzen – zum Beispiel um eine zusätzliche Wand einzuziehen. Denn es hat einen großen Vorteil gegenüber anderen Verfahren, die zum Beispiel Draht verwenden: Auf beiden Himmelskörpern finden wir Rohstoffe in Pulverform vor; diese Art von Material nennen wir Regolith. Wir könnten zum Beispiel Mondregolith nutzen, das die Mondoberfläche lose in Pulverform bedeckt. Drahtverfahren müssten dieses Pulver zunächst in seine Bestandteile zerlegen und dann zu Draht weiterverarbeiten. Das pulverbasierte Laserauftragschweißen wäre hingegen ohne aufwendige Zwischenschritte sofort möglich.

Marvin Raupert

Vor welche Herausforderungen stellt uns der Weltraum, wenn wir dieses Verfahren nutzen möchten?

Marvin Raupert: Im Weltraum herrschen ganz andere Umgebungsbedingungen als hier auf der Erde. Dazu gehört die Abnahme der Schwerkraft, ein niedriger Umgebungsdruck sowie ein sehr großer Temperaturbereich. Eine der größten Herausforderungen ist die Handhabung des pulverbasierten Materials. Und für den Erfolg des Prozesses ist es wichtig, dass immer die gleiche Menge an Pulver gefördert wird. Auf der Erde nutzen wir die Schwerkraft, um das Pulver zu dosieren, in der Schwerelosigkeit würde das nicht funktionieren. Wir mussten das Verfahren, um das Pulver zu fördern, also von Grund auf ändern.

Haben Sie das Verfahren schon für den Weltraum angepasst?

Raupert: Wir haben zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Magdeburg neue Lösungen für die Pulverförderung im Weltraum entwickelt und getestet. Unser erster Prototyp ist ähnlich wie eine Zentrifuge aufgebaut, in der das Pulver durch die Fliehkräfte nach außen gedrückt und in der gewünschten Menge zur Fertigungsposition geleitet wird.

Auf der Erde entkommen wir der Schwerkraft aber nicht. Wie testen Sie das Verfahren in Schwerelosigkeit?

Einstein-Elevator mit Versuchsaufbau

Lotz: Vereinfacht gesagt, werfen wir unser Experiment hoch und fangen es anschließend wieder auf. Dazu stellen wir es in die Kapsel unserer Fallturmanlage „Einstein-Elevator“, beschleunigen die Kapsel nach oben, lassen sie „fliegen“ und bremsen sie zum Schluss wieder ab. Das Experiment kann frei im Raum zwanzig Meter hoch und wieder herunterfliegen. Im „Einstein-Elevator“ können wir so einen Experimentaufbau mit einem Durchmesser von 1,70 Metern, einer Höhe von zwei Metern und einem Gewicht von bis zu einer Tonne praktisch in Schwerelosigkeit frei fliegen lassen.

…ohne dass Sie einen Parabelflug im Flugzeug machen müssen?

Lotz: Genau. Der große Vorteil der Fallturmanlage ist, dass sich die Ergebnisse genauer reproduzieren lassen. Da kein Mensch in der Kapsel mitfliegt, müssen alle Experimente voll automatisiert sein. Außerdem gibt es keine Windturbulenzen oder andere sich ändernde Umgebungsbedingungen. Der Nachteil ist, dass wir das komplette Experiment innerhalb der Kapsel unterbringen müssen und statt zwanzig Sekunden Parabelflug nur vier Sekunden Experimentierzeit im freien Fall haben. Wir müssen also den Materialtransport, das Fertigen und auch das Abkühlen in diesen vier Sekunden unterbringen.

Welche Erkenntnisse haben Sie aus den Fallturm-Experimenten gewonnen?

Raupert: Unsere ersten Analysen zeigen kaum Unterschiede zu den Proben, die unter Erdgravitation im Labor gefertigt wurden. Allerdings sehen wir leichte Unterschiede in der Härte der Probenoberfläche. Das könnte zum Beispiel an den verschiedenen Strömungen im Schmelzbad liegen, die sich durch die Gravitation ändern. Auch das Abkühlverhalten der Probe ändert sich, da es kein Oben und Unten mehr gibt und umliegende warme Luft und wärmere Regionen im Schmelzbad nicht mehr aufsteigen. Es können aber auch weitere Effekte eine Rolle spielen, die wir noch nicht genau einschätzen können. Wir planen daher weitere Experimente, um die Änderungen im Schmelzbad noch genauer zu verstehen und um herauszufinden, wie zukünftige Anwendungen auf dem Mond und Mars konzipiert werden müssen.

Wie und wann denken Sie, wird die Methode im Weltraum eingesetzt?

Blick in die Prozesskammer

Lotz: Wir stehen noch ganz am Anfang der Entwicklung. Wir haben zwar einen Prototyp gebaut und gezeigt, dass das Verfahren im Weltraum funktioniert. Das ist aber noch keine Maschine, die man einfach zum Mond schicken kann. Dafür müsste eine anwendungsspezifische Anlage gebaut werden. Von der Planung einer solchen Anlage bis zu ihrem Einsatz sprechen wir vermutlich von einem Zeitraum von zehn bis fünfzehn Jahren. Zuvor müssen jedoch noch weitere Fragen aus den Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik geklärt werden, wie zum Beispiel: Wie wirkt sich die Gravitationskraft von Mond und Mars auf das Verfahren aus? Lässt sich Mondregolith wirklich direkt nutzen und wie gut lässt er sich verarbeiten? Dazu bereiten wir gerade Folgeprojekte vor.