In Echtzeit dem Erstarren von Metallen zuschauen

Das Team von Prof. Dr. John Banhart (1. v. r.) hält den Weltrekord in der 3D-Röntgentomoskopie. 50 Tomogramme pro Sekunde können die Mitarbeiter*innen im Moment aufnehmen. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Materialwissenschaftler wollen mit Hilfe der 3D-Röntgentomoskopie das dendritische Wachstum besser verstehen und dafür die Geschwindigkeit zur Aufnahme von Röntgentomogrammen auf das Zwanzigfache erhöhen.

Wenn man Metall dabei zuschaut, wie es erstarrt, sieht es so aus, als ob lauter kleine Bäume wachsen. Diese Strukturen werden Dendriten genannt, abgeleitet aus dem griechischen Wort déndron für Baum. Deshalb spricht die Wissenschaft auch von dendritischem Wachstum. Dieser Prozess des Erstarrens ist hochkomplex und teilweise noch unverstanden. Wer zuschauen will benötigt allerdings Röntgenstrahlen, denn nur diese durchdringen Metall. Für die Entschlüsselung des Erstarrungsprozesses steht mit der 3D-Röntgentomoskopie jetzt eine geeignete Methode zur Verfügung, denn das Dendritenwachstum ist ein dreidimensionaler Vorgang und er verläuft rasend schnell.

Die 3D-Röntgentomoskopie ist extrem schnell. 50 Tomogramme pro Sekunde können die Mitarbeiter*innen von Prof. Dr. John Banhart im Moment aufnehmen. Das ist Weltrekord. „Aber für das Dendritenwachstum ist es noch nicht schnell genug“, sagt der Leiter des TU-Fachgebietes Struktur und Eigenschaften von Materialien. „Wir wollen 1000 Tomogramme pro Sekunde schaffen und damit erstmals die Tomoskopie auch auf den Erstarrungsprozess von Metallen anwenden, um ihn besser zu verstehen.“ Den Begriff der Tomoskopie hat Banharts Team erst vor Kurzem geprägt. Die Wissenschaftler wollen damit die enorme Schnelligkeit ausdrücken, die sie mittlerweile erreichen, und sich von der langsameren Vorstufe – der 3D-Tomografie – auch sprachlich absetzen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) stufte diese Forschungen als „besonders innovativ“ ein und bewilligte ein „Reinhart-Koselleck-Projekt“. Mit dieser DFG-Förderlinie erhalten durch ihre wissenschaftliche Leistung ausgewiesene Forscher*innen die Möglichkeit, sich risikobehafteten Vorhaben widmen zu können. Finanziert wird das Reinhart-Koselleck-Projekt von Prof. Dr. John Banhart von der DFG über fünf Jahre mit insgesamt 750.000 Euro.

Bei der 3D-Tomoskopie werden dreidimensionale Röntgentomogramme in Bruchteilen von Sekunden aufgenommen und zu einem 3D-Film verarbeitet. Mit der Anwendung der 3D-Röntgentomoskopie auf die Untersuchung von Metallschäumen haben John Banhart und seine Arbeitsgruppe bereits einschlägige Erfahrungen. Angewendet wird dieses Material zum Beispiel für Dämpfungselemente im Maschinenbau und im Leichtbau. Auch gibt es erste Ansätze, Motoren in Elektrofahrzeugen in Metallschaum zu verpacken, um sie vor eindringenden Gegenständen zu schützen, die einen Kurzschluss und damit eine Explosion auslösen könnten.

Wie fast jeder Schaum hat auch Metallschaum die Tendenz, nicht beständig zu sein. Der schöne Bierschaum verschwindet schneller, als einem lieb ist, und in der Badewanne kann man dem Platzen der Schaumblasen buchstäblich zusehen. Träume sind Schäume heißt es deshalb auch im Volksmund. Diese Unbeständigkeit von Schaum macht auch Materialwissenschaftlern wie Prof. Dr. John Banhart zu schaffen. „Metallschäume werden aus einem Metallpulver und einem Treibmittel hergestellt. Das Treibmittel ist ebenfalls ein Pulver aus Metall und Wasserstoff. Beides wird miteinander vermischt, verdichtet und erhitzt und dabei setzt das Treibmittel Wasserstoff frei, wodurch das Gemisch aufgeschäumt wird. Während des Erstarrungsprozesses platzen die Blasen und wachsen zu größeren zusammen. Das ist ein unerwünschter Prozess, weil sich dadurch die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtern“, erklärt John Banhart. Mit Hilfe der 3D-Tomoskopie ist es seiner Gruppe gelungen zu beschreiben, warum die Blasen platzen: Die Ursache sind lokale Druckerhöhungen um die Treibmittelteilchen herum. „Deshalb forschen wir daran, ein neues Treibmittel zu finden, das sich in dem Metall gleichmäßiger verteilt und den Schaum sanfter erzeugt“, so Banhart.

Eine weitere Anwendung der Tomoskopie sind Prozesse, bei denen mittels eines Laserstrahls Metall in sehr kurzer Zeit geschmolzen wird. Dies kann das Laserstrahlschweißen und -schneiden sein, aber auch die additive Fertigung, auch als 3D Druck bekannt, wo Material schichtweise zu einem Bauteil aufgetragen wird. Hier will John Banharts Arbeitsgruppe die 3D-Röntgentomoskopie dazu nutzen herauszufinden, was in der kurzen Zeit des Aufschmelzens und Wiedererstarrens passiert.

Ein zweiter Schwerpunkt wird sein, die gewaltigen Datenmengen, die anfallen werden – mehrere Terabyte pro Minute –, mathematisch so zu verarbeiten, dass sie auch zu einem Erkenntnisgewinn führen. „Da stehen wir vor einer enormen Herausforderung“, sagt John Banhart. Der dritte Schwerpunkt der Forschungen ist die Entwicklung funktionaler und transportabler experimenteller Aufbauten, mit denen die Aufnahmen am Synchrotron des Paul-Scherer-Instituts in der Schweiz gemacht werden können. John Banhart: „Wir benötigen intensives Röntgenlicht, und das wird uns nur von Synchrotrons bereitgestellt.“