ETH entwickelt flüssigen Schutzschild für Satelliten

Eine Gewehrkugel mit einer Flüssigkeit aufhalten? Sogenannte «Kolloiden» können das. Diese Materialien könnten einst Satelliten vor Mikrometeoriten schützen.

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Winzige Siliziumkügelchen, Wasser und Glycerin: Diese Mischung haben Forschende um Lucio Isa von der ETH Zürich gemeinsam mit internationalen Kollegen unter die Lupe genommen, um die Eigenschaften dieser sogenannten «Kolloiden» besser zu verstehen.

Diese speziellen Flüssigkeiten wird fest, wenn Kräfte auf sie wirken, und absorbieren diese. Das macht sie beispielsweise für kugelsichere Westen oder Schutzschilde für Satelliten interessant, wie der Schweizerische Nationalfonds SNF am Mittwoch mitteilte. In dem vom SNF geförderten Projekt entwickelten Isa und sein Team ein neues Modell, um dem Geheimnis von Kolloiden auf den Grund zu gehen.

Die Kraft ist entscheidend

Je nach Intensität und Geschwindigkeit der auftreffenden Kraft absorbieren Kolloide diese anders, so das Ergebnis, von dem die Forschenden kürzlich im Fachblatt «PNAS» berichteten. Dabei gibt es einen gewissen Schwellenwert: Ist die Kraft eher schwach, ist die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Flüssigkeit entscheidend.

«Stellen Sie sich vor, wie die winzigen Glaskügelchen in der Flüssigkeit schweben», erklärte Isa gemäss der Mitteilung. Sobald eine Kraft einwirke, fingen sie an, sich zu bewegen. «Dabei gerät auch die sie umgebende Flüssigkeit in Bewegung, und zwar je nach Viskosität schneller oder langsamer. Diese Bewegung des Fluids sorgt dafür, dass sich das Ganze verfestigt.»

Wenn jedoch eine extrem starke Kraft auftrifft wie beispielsweise eine Gewehrkugel, kann sich die Flüssigkeit zwischen den Kügelchen nicht mehr bewegen. Stattdessen verformen sich die Kügelchen. Daher werde die Absorption der Kräfte in diesem Fall vor allem durch die physikalischen Eigenschaften der Kügelchen bestimmt, so Isa. Mit den üblichen mathematischen Modellen liess sich dies jedoch bisher nicht abbilden.

Verdampftes Gold

Für ihr Modell sammelten die Forschenden Daten über die Reaktion der Siliziumkügelchen-Suspension in Wasser und Glyzerin bei einem heftigen Aufprall. Dafür mussten sie aber extrem starke Kräfte im Labor erzeugen – keine leichte Aufgabe, wie der SNF schrieb.

Um die Kräfte wie beim Aufprall einer Gewehrkugel zu imitieren, überzogen die Wissenschaftler einen kleinen Teil der Siliziumpartikel mit Gold. Diese Goldschicht konnten sie mit einem Laser verdampfen und so eine heftige Stosswelle erzeugen. Diesen «Aufprall» untersuchten sie unter dem Mikroskop mit Hochgeschwindigkeitskameras.

Die Ergebnisse liefern Grundlagenkenntnisse, die beispielsweise der Entwicklung neuartiger Schutzschilde für Satelliten den Weg ebnen könnten, so Isa. Kolloide könnten so Schäden durch staubkorngrosse, extrem schnelle Mikrometeoriten verhindern.

(mch/sda)

Erstellt: 08.11.2017, 18:09 Uhr

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