Auf der Internationalen Raumstation warten bereits kleine Kügelchen aus Metall auf ihren Einsatz. Sie stammen aus dem Saarland und sollen Ende August auf bis zu 1700 Grad Celsius erhitzt werden. Dabei geht es nicht um gewöhnliches Metall, sondern um sogenannte metallische Gläser. Ein Forschungsteam der Universität des Saarlandes will untersuchen, wie sich diese ungewöhnlichen Legierungen verhalten, wenn sie nahezu schwerelos als frei schwebende Tropfen erhitzt werden.

Die Versuchsreihe soll nach aktuellem Plan vom 31. August bis zum 4. September 2026 stattfinden. Geleitet wird das Projekt von Materialforscher Ralf Busch von der Universität des Saarlandes. Beteiligt sind außerdem die Europäische Weltraumorganisation ESA und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt DLR. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt. Für das Saarbrücker Team ist es die erste eigene Versuchsreihe dieser Art auf der ISS.

Die Forscher selbst fliegen dabei nicht ins All. Die Proben befinden sich bereits an Bord der Raumstation. Von der Erde aus begleiten die Wissenschaftler die Experimente und werten anschließend die Messdaten aus.

Was ist metallisches Glas?

Der Begriff klingt zunächst widersprüchlich. Metall verbindet man gewöhnlich mit einer geordneten Kristallstruktur, Glas dagegen mit einer ungeordneten Anordnung der Atome. Genau diese ungeordnete Struktur besitzen auch metallische Gläser.

Bei gewöhnlichen Metallen ordnen sich die Atome beim Abkühlen in regelmäßigen Kristallgittern an. Bei metallischen Gläsern wird diese Kristallbildung gezielt verhindert. Die Atome erstarren in einer ungeordneten Struktur, ähnlich wie bei herkömmlichem Glas.

Dadurch können ungewöhnliche Materialeigenschaften entstehen. Metallische Gläser können sehr fest und zugleich elastisch sein. Einige Legierungen lassen sich außerdem vergleichsweise gut formen und eignen sich für moderne Fertigungsverfahren wie den 3D Druck.

Solche Materialien entstehen allerdings nicht einfach dadurch, dass eine Metallschmelze schnell abgekühlt wird. Die Zusammensetzung der Legierung muss sehr genau eingestellt werden. Das Team um Ralf Busch arbeitet seit Jahren daran, solche Materialkombinationen zu entwickeln und ihre Eigenschaften zu verstehen.

Der Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe an der Universität des Saarlandes beschäftigt sich unter anderem mit metallischen Massivgläsern, ihrer Thermodynamik und der Frage, wie sich metastabile Materialien bilden und verändern.

Warum die ISS für die Forschung wichtig ist

Entscheidend für die Versuche ist die nahezu schwerelose Umgebung an Bord der ISS. Auf der Erde wirkt die Schwerkraft ständig auf eine flüssige Metallprobe ein. Eine Schmelze liegt normalerweise in einem Behälter oder Schmelztiegel und steht dadurch in Kontakt mit dessen Oberfläche.

Genau dieser Kontakt kann Messungen beeinflussen. Metallische Schmelzen können chemisch mit dem Behälter reagieren. Außerdem können an der Oberfläche des Schmelztiegels Kristalle entstehen, die das Erstarren des Materials verändern.

Auf der ISS lässt sich dieses Problem weitgehend umgehen. Die Metallprobe kann frei schweben und ohne direkten Kontakt mit einem Behälter erhitzt werden.

Dafür wird ein elektromagnetischer Levitator eingesetzt. Elektromagnetische Felder halten die elektrisch leitfähige Probe in Position und können sie zugleich erhitzen. Die kleine Metallkugel verwandelt sich dabei in einen frei schwebenden Tropfen.

Unter diesen Bedingungen können Wissenschaftler Eigenschaften der Schmelze untersuchen, die sich auf der Erde wesentlich schwieriger messen lassen.

Bis zu 1700 Grad heiße Metalltropfen

Im Mittelpunkt der geplanten Versuchsreihe stehen Legierungen aus Nickel und Niob sowie aus Nickel, Niob und Schwefel.

Die Nickel Niob Legierung ist schon seit Jahrzehnten bekannt. Sie wurde bereits 1967 am Massachusetts Institute of Technology entwickelt. Die Variante mit zusätzlichem Schwefel stammt dagegen aus der Forschung des Saarbrücker Teams.

Auf der ISS sollen die Kügelchen auf Temperaturen von bis zu etwa 1700 Grad Celsius erhitzt und vollständig verflüssigt werden.

Anschließend untersuchen die Forscher verschiedene physikalische Eigenschaften. Dazu gehören die Viskosität, also das Fließverhalten der Schmelze, die Oberflächenspannung, die Wärmekapazität und die thermische Ausdehnung. Außerdem interessiert das Team, wie stark sich die Flüssigkeit unter ihre normale Erstarrungstemperatur abkühlen lässt, ohne dass sofort Kristalle entstehen.

Auch das Schwingungsverhalten der frei schwebenden Tropfen liefert Informationen über die Materialeigenschaften.

Diese Messwerte sind wichtig, weil sie darüber entscheiden, wie sich eine Legierung beim Schmelzen, Verarbeiten und Erstarren verhält.

Warum Schwefel eine wichtige Rolle spielt

Besonders interessant ist für die Saarbrücker Wissenschaftler der Einfluss von Schwefel.

Indem eine Legierung aus Nickel und Niob mit einer Variante aus Nickel, Niob und Schwefel verglichen wird, lässt sich untersuchen, wie stark bereits ein zusätzlicher Bestandteil die Eigenschaften des Materials verändert.

Das Ziel besteht darin, Legierungen gezielter entwickeln zu können. Statt sich ausschließlich durch viele unterschiedliche Mischungsverhältnisse voranzutasten, sollen physikalische Messdaten dabei helfen, vorherzusagen, welche Zusammensetzung bestimmte Eigenschaften hervorbringt.

Das ist besonders wichtig bei metallischen Gläsern. Ihre Herstellung hängt stark davon ab, wie schnell Kristalle während des Abkühlens entstehen. Je länger sich die Kristallbildung verhindern lässt, desto größer können Bauteile aus metallischem Glas hergestellt werden.

Die Entwicklung geeigneter Legierungen ist deshalb aufwendig. Nach Angaben der Universität des Saarlandes kann es Jahre dauern, eine Zusammensetzung so weit zu optimieren, dass sie die gewünschten Eigenschaften besitzt.

Die Proben mussten für die ISS vorbereitet werden

Bevor eine Metalllegierung überhaupt an Bord der Raumstation untersucht werden darf, muss sie umfangreiche Tests bestehen. Eine bis zu 1700 Grad heiße Metallschmelze ist kein gewöhnliches Experiment für eine bemannte Raumstation.

Die Proben wurden deshalb bereits auf der Erde geprüft und für den Einsatz auf der ISS zertifiziert. Die kleinen Kügelchen für die aktuelle Versuchsreihe wurden an der Universität des Saarlandes hergestellt.

Das Projekt hat eine längere Vorgeschichte. Schon 2020 berichtete das Forschungsteam über die geplanten Untersuchungen in Schwerelosigkeit. Zunächst mussten die Legierungen und die experimentellen Verfahren auf der Erde und bei Versuchen unter kurzzeitiger Schwerelosigkeit erprobt werden.

Die aktuellen ISS Experimente sind damit das Ergebnis einer mehrjährigen Vorbereitung.

Was metallisches Glas interessant macht

Metallische Gläser gehören zu einer Materialklasse, die Eigenschaften miteinander verbinden kann, die bei klassischen Metallen nicht immer gleichzeitig auftreten.

Durch die fehlenden Kristallgrenzen können solche Werkstoffe sehr hohe Festigkeiten erreichen. Gleichzeitig besitzen bestimmte Legierungen elastische Eigenschaften und können sich für spezielle Fertigungsverfahren eignen.

Das eröffnet mögliche Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen. Dazu gehören Luft und Raumfahrt, Medizintechnik, Maschinenbau und elektronische Systeme.

Auch für additive Fertigung sind metallische Gläser interessant. Beim 3D Druck könnten komplexe Bauteile entstehen, die mit klassischen Fertigungsverfahren nur schwer herzustellen wären.

Die Forschung im Saarland beschränkt sich deshalb nicht auf die aktuelle ISS Versuchsreihe. Am Lehrstuhl von Ralf Busch werden unterschiedliche metallische Gläser und ihre möglichen Anwendungen untersucht. Dazu gehören auch Materialien für effizientere elektrische Maschinen und neue Fertigungsverfahren.

Warum die Forschung im Weltraum der Erde helfen kann

Experimente auf der ISS werden häufig mit zukünftigen Mond oder Marsmissionen in Verbindung gebracht. Bei dieser Versuchsreihe steht jedoch vor allem Grundlagenforschung im Mittelpunkt.

Die Schwerelosigkeit dient als Werkzeug, um ein Material unter möglichst störungsfreien Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse sollen anschließend helfen, Prozesse auf der Erde besser zu verstehen.

Wenn Wissenschaftler genauer wissen, wie sich eine Metallschmelze verhält, können Modelle und Produktionsverfahren verbessert werden. Das wiederum könnte es ermöglichen, metallische Gläser gezielter herzustellen und ihre Eigenschaften besser an bestimmte Anwendungen anzupassen.

Die ISS wird damit zu einem Labor für Fragestellungen, die weit über die Raumfahrt hinausreichen.

Weitere Versuche sind bereits geplant

Mit der Versuchsreihe Ende August ist das Projekt nicht abgeschlossen. Eine weitere Testserie mit anderen Legierungen auf der ISS befindet sich nach Angaben der Universität des Saarlandes bereits in Vorbereitung.

Die aktuellen Messungen sollen zunächst zeigen, wie sich die ausgewählten Nickel Legierungen unter den besonderen Bedingungen der Raumstation verhalten.

Erst nach der Auswertung wird sich zeigen, welche neuen Erkenntnisse tatsächlich gewonnen werden können. Gerade bei materialwissenschaftlichen Experimenten besteht der Wert nicht zwangsläufig in einer einzelnen spektakulären Entdeckung. Oft geht es darum, Messwerte genauer zu bestimmen und Modelle Stück für Stück zu verbessern.

Für das Saarbrücker Team ist die ISS deshalb vor allem eines: ein Labor, in dem sich Bedingungen herstellen lassen, die auf der Erde kaum erreichbar sind.

Wenn Ende August die kleinen Metallkugeln in der Raumstation zu glühenden, frei schwebenden Tropfen werden, bleiben die Forscher selbst mehr als 400 Kilometer darunter. Ihr Experiment aber findet in einer Umgebung statt, die auf der Erde kaum nachgebildet werden kann. Gerade darin liegt der wissenschaftliche Wert der Mission.

Quellen
▪︎ Universität des Saarlandes, Materialforschung am schwerelos schwebenden Tropfen, August 2026
▪︎ Informationsdienst Wissenschaft, Metallisches Glas wird auf der ISS getestet, August 2026
▪︎ Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, Forschung zu metallischen Gläsern und additiver Fertigung
▪︎ Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe
▪︎ Pro Physik, Metallisches Glas auf der ISS, 2020