Spezielle Flüssigkeiten könnten Satelliten vor Schäden schützen

Zürich (APA/sda) - Flüssigkeiten mit darin schwebenden Mikroteilchen könnten helfen, bessere kugelsichere Westen oder Schutzschilde für Satelliten zu entwickeln. Diese sogenannten Kolloide werden nämlich beim Aufprall fest und absorbieren die einwirkenden Kräfte. Wie genau, das haben Schweizer Forscher untersucht.

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

Diese speziellen Flüssigkeiten werden 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.

Je nach Intensität und Geschwindigkeit der auftreffenden Kraft absorbieren Kolloide diese anders, so das Ergebnis, von dem die Forscher 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“, wurde Isa in der Mitteilung zitiert. 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.

Für ihr Modell sammelten die Forscher 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 Wissenschafter 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.

((Fachartikelnummer - DOI: 10.1073/pnas.1712266114)