Innerhalb der Van-Allen-Gürtel schirmt das Magnetfeld der Erde geladene Teilchen weitgehend ab. Außerhalb dieser Schutzzone – etwa auf Reisen zum Mond oder Mars – treffen solarenergetische Teilchen, sporadische Sonnenstürme und ein konstanter Fluss kosmischer Strahlung ungehindert auf Raumfahrzeuge. Für Metalle bedeutet dies die fortschreitende Bildung atomarer Defekte, die konventionelle Härtungsmechanismen schwächen. Herkömmliche Aluminiumlegierungen verlieren bereits ab rund 0,2 dpa signifikant an mechanischer Leistungsfähigkeit. Die Einheit dpa („displacements per atom") gibt an, wie oft im Durchschnitt jedes Atom eines Werkstoffs durch Strahlung aus seinem Gitterplatz geschlagen wurde – 0,2 dpa entspricht also etwa jedem fünften Atom.
Neue Crossover-Legierung
Die in Leoben 2022 eingeführte Familie der Aluminium-Crossover-Legierungen vereint die Stärken der zwei wichtigsten industriellen Aluminiumlegierungsfamilien in einem Werkstoff. Zwei zentrale Designentscheidungen sorgen für die außergewöhnliche Strahlungsbeständigkeit, Probleme setzen erst oberhalb von 75 dpa ein.
„Sobald ein Raumfahrzeug die Van-Allen-Gürtel der Erde verlässt, ist der natürliche Strahlenschutz verschwunden – und genau hier könnten konventionelle Aluminiumlegierungen bei Langzeitmissionen in Schwierigkeiten geraten. Wir zeigen, dass Aluminium mit der richtigen Legierungschemie, der richtigen Mikrostruktur und der richtigen Thermodynamik weiterhin der beste Kandidat für die anspruchsvollsten Umgebungen im tiefen Weltraum ist: leicht, stark und strahlungsbeständig in einem Material. Die T-Phase und die Aluminium-Crossover-Legierungen stehen im Mittelpunkt“, sagt Ass.-Prof. Matheus A. Tunes, BSc MSc PhD MInstP, Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Stefan Pogatscher ergänzt: „Wir haben die Aluminium-Crossover-Legierungen hier in Leoben im Jahr 2022 etabliert und seither ihr Potenzial aufgezeigt. Diese Studie belegt, dass die T-Phase – das Härtungspartikel, das diese gesamte Legierungsfamilie definiert – unter extremen Bedingungen außergewöhnlich stabil ist. Genau diese Eigenschaft braucht ein Strukturmaterial für Langzeitmissionen außerhalb des natürlichen Strahlenschutzes der Erde.“
International getestet
Getestet wurde die Legierung mittels Schwerionenbestrahlung an einer Anlage der United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA), wobei Strahlungsschäden in Echtzeit im Transmissionselektronenmikroskop beobachtet werden konnten. Ergänzende Mikrozugversuche am Erich Schmid Institut (ESI) in Leoben bestätigten, dass die Legierung ihre Festigkeit bis mindestens 20 dpa beibehält und bei den höchsten Dosen sogar einen Zuwachs an Duktilität zeigt.
Als nächste Schritte skaliert das Team die Legierung von Laborproben zu technisch relevanten Komponenten und untersucht die atomaren Mechanismen, die der außergewöhnlichen Stabilität der T-Phase zugrunde liegen. Langfristig soll das Material für Strukturen, Paneele und Abschirmelemente von Raumfahrzeugen optimiert werden, die für Langzeitmissionen außerhalb des Schutzes der Van-Allen-Gürtel bestimmt sind.
Die Studie erschien als Journal Cover in Advanced Materials und entstand am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität Leoben, mit Experimenten unter anderem an der UKAEA und am Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der österreichischen Akademie der Wissenschaften, das ebenfalls in Leoben beheimatet ist.
Publikation
Willenshofer, P. D.; Tunes, M. A.; et al. Radiation-Resistant Aluminium Alloy for Space Missions in the Extreme Environment of the Solar System. Advanced Materials (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202513450 (article)
https://doi.org/10.1002/adma.72925 (cover page)
Weitere Informationen
Univ.-Prof. Dr. Stefan Pogatscher
Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie
Mail: stefan.pogatscher @unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 402 5228
Mobil: +43 664 80898 5228
Ass.-Prof. Matheus A. Tunes, BSc MSc PhD MInstP
Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie
[X-MAT] – The Laboratory of Metallurgy in Extreme Environments
https://x-mat.unileoben.ac.at
Mail: matheus.tunes(at)unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 402 5236
Mobil.: +43 664 501 5956
