Neue strahlungsbeständige Aluminiumlegierung an Montanuniversität Leoben entwickelt

Ein Forschungsteam an der Montanuniversität Leoben in der Obersteiermark hat eine neue Aluminiumlegierung entwickelt, die extremen Strahlungsniveaus im Weltraum standhalten soll. Die Legierung ist für den Einsatz in Raumfahrzeugen vorgesehen, die jenseits des Van-Allen-Gürtels operieren.

In diesen Regionen herrschen besonders hohe Strahlungsbedingungen. Raumfahrzeuge auf Reisen zum Mond oder darüber hinaus sind dort Teilchenstrahlung der Sonne, kosmischer Strahlung und Sonnenstürmen ausgesetzt.

Strahlungsbelastung als Herausforderung für Aluminium

In der Raumfahrt werden Werkstoffe bevorzugt, die leicht, stark, korrosionsbeständig und gut verarbeitbar sind. Diese Eigenschaften werden von aushärtbaren Aluminiumlegierungen erfüllt. Unter starker Strahlenbelastung verlieren herkömmliche aushärtbare Legierungen jedoch durch fortschreitende Bildung atomarer Verschiebungen ihre mechanische Leistungsfähigkeit.

Bereits bei Strahlungsdosen von 0,2 dpa zeigen herkömmliche Aluminiumlegierungen eine Auflösung der verstärkenden Phasen, ihre Leistungsfähigkeit lässt dann stark nach. Ein Team unter der Leitung von Stefan Pogatscher an der Montanuniversität Leoben arbeitet daran, diese Belastungsgrenzen auszuweiten.

Aluminium-Crossover-Konzept als Grundlage

Die neue Leobener Legierung basiert auf dem sogenannten Aluminium-Crossover-Konzept. Die sogenannte T-Phase ist dabei ein Härtungspartikel, das die Aluminium-Crossover-Legierungsfamilie definiert. Laut Stefan Pogatscher wurde die Aluminium-Crossover-Legierung 2022 in Leoben etabliert.

Laut den vorliegenden Untersuchungsergebnissen weist die neue Aluminiumlegierung selbst bei Strahlungswerten von 24 dpa eine außergewöhnliche Strahlungsbeständigkeit auf. Hohlräume treten demnach erst ab einer Bestrahlungsdosis von 75 dpa auf. Diese Werte werden als höher beschrieben als alles, was bisher für aluminiumbasierte Werkstoffe demonstriert wurde.

Tests unter Extrembedingungen

Die Strahlungsresistenz der ultrafeinkörnigen Legierung wurde an einer Anlage der UK Atomic Energy Authority getestet. Schäden an der Legierung wurden dabei in Echtzeit unter einem Transmissionselektronenmikroskop beobachtet. Ergänzende Versuche am Erich Schmid Institut in Leoben bestätigten, dass die Legierung ihre Festigkeit bis mindestens 24 dpa beibehält.

Den Untersuchungen zufolge gewinnt die Legierung bei höheren Strahlendosen an Duktilität. Duktilität wird dabei als Fähigkeit beschrieben, sich ausdehnen zu lassen, ohne zu brechen. Die Studie zeigt, dass die T-Phase unter extremen Bedingungen außergewöhnlich stabil ist.

Nächste Schritte für den Einsatz in Raumfahrzeugen

Nächster Arbeitsschritt des Forschungsteams ist die Skalierung der Legierung von Laborproben zu technisch relevanten Komponenten. Das Material soll für Strukturen, Paneele und Abschirmelemente von Raumfahrzeugen optimiert werden, die für Langzeitmissionen außerhalb des Van-Allen-Gürtels bestimmt sind.

Sobald ein Raumfahrzeug den Van-Allen-Strahlungsgürtel der Erde verlässt, verschwindet der natürliche Strahlenschutz. Die Erkenntnisse aus der Entwicklung der neuen Legierung könnten neue Möglichkeiten für interplanetare Reisen eröffnen.

Als weiterer Beteiligter wird Matheus A. Tunes genannt, der dem Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie angehört.