So sehen Satelliten aus: Zwei Solarpaneele wie Flügel und ein Körper, eingepackt in goldig oder silbrig schimmernde Folie. Mit dieser Folie beschäftigen sich Forscher aus dem Labor „Mechanics of Materials and Nanostructures“ an der Empa in Thun, wie die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt mitteilt. Bei ihr handelt es sich dabei um eine Superisolation (Multilayer Insulation). Sie besteht aus mehreren Polymerlagen, die mit einer Metallbeschichtung – meist Aluminium – versehen wird.
An Bord der Raumfahrzeuge schützt die Superisolation die Elektronik vor Temperaturschwankungen. „Für Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn beträgt der Temperaturunterschied zwischen der sonnenab- und der sonnenzugewandten Seite rund 150 K“, sagt Empa-Forscherin Barbara Putz. „Elektronik funktioniert aber am besten bei Raumtemperatur von 25 °C.“ Da sie unmittelbar den Weltraumbedingungen ausgesetzt ist, muss die Superisolation selbst hohe Belastungen aushalten.
Als Polymerbasis für die Dünnschichtstruktur dient meist Polyimid. Neben Temperatur- und Vakuumbeständigkeit bietet dieser Kunststoff auch eine gute Haftung für die Aluminiumschicht. „Der Grund dafür ist eine wenige Nanometer dünne Zwischenschicht, die sich beim Beschichten zwischen dem Polymer und dem Aluminium bildet“, erläutert Putz. Diese Zwischenschicht will die Forscherin nun genauer untersuchen – und sie gezielt einsetzten. Die Schicht soll nicht nur bessere Superisolation für künftige Satelliten ermöglichen, sondern auch die Entwicklung von flexibler Elektronik auf der Erde beschleunigen.
Materialkombination exakt wie im Weltraum
Um die Zwischenschicht und ihre Auswirkungen auf die Materialeigenschaften genau zu verstehen, haben sich Putz und ihre Doktorandin Johanna Byloff für ein einfaches Modellsystem entschieden: eine 50 µm dicke Polyimid-Folie, beschichtet mit 150 nm Aluminium. Zwischen dem Metall und dem Kunststoff bringen die Forscherinnen eine 5 nm dicke Beschichtung aus Aluminiumoxid an. Um eine saubere Verarbeitung zu gewährleisten, nutzen die Forscherinnen eine Beschichtungsmaschine des Empa-Spin-offs Swiss Cluster AG. Das Gerät macht es möglich, mehrere Beschichtungsverfahren hintereinander auf ein Werkstück anzuwenden, ohne es aus der Vakuumkammer zu nehmen.
„Unsere Materialkombination entspricht derjenigen, die für Weltraumanwendungen eingesetzt wird, beispielsweise bei der europäischen Merkur-Sonde Bepi-Colombo oder beim Sonnenschild des James-Webb-Weltraumteleskops der Nasa“, sagt Byloff. „Nur bildet sich die Oxid-Zwischenschicht dort auf natürliche Weise, während wir sie gezielt herstellen, wodurch sich die Eigenschaften einstellen lassen.“
Von Satelliten zu flexiblen Anwendungen auf der Erde
Ihre Modell-Folie haben die Forscherinnen gründlich untersucht. Das Ergebnis: Die Zwischenschicht macht das Material dehnbarer und resistenter gegen Risse und Scherkräfte. Als nächstes wollen die Forscherinnen die Dicke der Schicht variieren und sie auf anderen Polymersubstraten anwenden.
Satellitenisolation ist nicht der einzige Bereich, in dem flexible mehrschichtige Systeme gefragt sind. Ein großes Anwendungsgebiet für ihre Forschung sehen Putz und Byloff auch in der flexiblen Elektronik, die ebenfalls auf metallbeschichteten Polymeren basiert.