Intelligentes Material- und Systemdesign

Hohes Vakuum, extreme Temperaturen und Schwerelosigkeit - die Bedingungen im Weltraum sind harsch und bedrohen jedes Objekt im All. Neben diesen bekannten Phänomenen bietet das All aber auch chemische Hürden für die Raumfahrt, so etwa atomaren Sauerstoff.  Dieser atomare Sauerstoff ist weitaus reaktiver als der auf der Erde vorkommende und für unsere Atmung notwendige molekulare Sauerstoff und greift nahezu jedes Material an, das mit ihm in Kontakt kommt. In erdnahen Orbits ist atomarer Sauerstoff sogar die am häufigsten vorkommende Gasspezies und muss bei jeder Mission ins All berücksichtigt werden.       

Oft werden in der Raumfahrt sogenannte Polyimide als Außenhaut oder Hitzeschilde eingesetzt, die auch im Alltag in Form von elektrischen Isolatoren und Klebebändern Verwendung finden. Trotz größter Bemühungen der Forschung das Material zu verbessern werden Polyimide noch immer durch atomaren Sauerstoff zersetzt.

Um die innere Zerstörung eines Polyimides zu verstehen, wird im vom europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) finanziell geförderten Innovationslabor "Physik unter harschen Bedingungen" die Diffusion, also die Wanderung von atomarem Sauerstoff in einem Polyimid untersucht. Hierzu wird in der abgebildeten kapazitiven Plasmaanlage ein Radiofrequenz-Sauerstoffplasma, in dem auch atomarer Sauerstoff vorkommt, erzeugt und mit einem Polyimid in Verbindung gebracht, um die Belastung im All zu simulieren und anschließend zu studieren.

Für die Energieversorgung in Raumfahrzeugen kommt der Zwischenspeicherung von photovoltaisch gewonnener Energie eine besondere Rolle zu. Eine zentrale Frage für insbesondere längere Weltraumflüge ist jedoch, inwieweit die im Weltall vorkommende harte Strahlung den verwendeten Elektroden und Elektrolytmaterialien der Batterien zusetzt. Um dieser Frage nachzugehen, werden ausgewählte Batterietypen vorab in einem sogenannten „Zyklisierer“ elektrochemisch charakterisiert. Danach erfolgt die Bestrahlung der Batterien in speziell dafür im Rahmen dieses EFRE Projektes aufgebauten Testlaboren. Letztendlich werden die Batterien erneut elektrochemisch charakterisiert und mittels moderner materialwissenschaftlicher Analytik untersucht, um potentiellen Zersetzungsprodukten auf die Spur zu kommen. Ausgehend von dem Erkenntnisgewinn sollen anschließend verbesserte, strahlungsresistentere Materialien entwickelt werden.