Revolutionäre Ti-Al-Legierung – ein Wendepunkt für die Weltraumerkundung

Der Weltraum ist riesig, so sehr, dass es schwierig ist, sich das überhaupt vorzustellen. Allein das beobachtbare Universum hat einen Durchmesser von mindestens 93 Milliarden Lichtjahren. 

Trotzdem setzen wir die Grenzen der Weltraumerkundung zu verschieben, und dabei entstehen ständig neue Durchbrüche. 

In einem solchen neuesten Fortschritt haben Forscher eine innovative superelastische Legierung entwickelt. Diese auf Titan‑Aluminium (Ti‑Al) basierende superelastische Legierung ist zudem leicht und stark und bietet die einzigartige Fähigkeit, über einen breiten Temperaturbereich hinweg zu funktionieren.

Laut der Studie veröffentlicht in Nature¹, kann die superelastische Legierung Temperaturen von bis zu +127 °C und bis zu -269 °C standhalten und zeigt ihr großes Potenzial in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Medizintechnik und tiefer Weltraumerkundung.

„Diese Legierung ist die erste ihrer Art, die Superelastizität über einen solch extremen Temperaturbereich hinweg beibehält und dabei leicht und stark bleibt, was eine Vielzahl praktischer Anwendungen eröffnet, die zuvor nicht möglich waren.“

– Sheng Xu, Assistenzprofessor am Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences der Tohoku-Universität

Diese Eigenschaften des neuen Materials, bemerkte Xu, machen die Legierung ideal für zukünftige Weltraummissionen, wie das „Erstellen superelastischer Reifen für Mondrover, um die extremen Temperaturschwankungen auf der Mondoberfläche zu bewältigen.“

Die Flexibilität der Ti‑Al‑basierten Legierung bei extrem niedrigen Temperaturen macht sie insbesondere zu einem vielversprechenden Material für Anwendungen in der kommenden Wasserstoffgesellschaft sowie in anderen Branchen. Darüber hinaus kann das Material in Alltagsanwendungen eingesetzt werden, die Flexibilität erfordern, wie medizinische Geräte etwa Stents.

Damit verändert die neue Legierung die Spielregeln in vielen Branchen, indem sie die Beschränkungen der meisten bestehenden Formgedächtnislegierungen (SMAs) überwindet. Diese Materialien, die nach Wegnahme der Kraft in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können, bieten Festigkeit und Zähigkeit, besitzen jedoch spezifische Temperaturbereiche.

Im Gegensatz zu ihnen hat die neuartige Ti‑Al‑Legierung einen breiten Betriebstemperaturbereich, der über den Siedepunkt von Wasser hinausgeht und bis zur Temperatur von flüssigem Helium reicht.

Auf diese Weise bietet die Legierung eine breite Anwendbarkeit in Bereichen, die Materialien mit außergewöhnlicher Festigkeit und Flexibilität benötigen.

Dafür nutzte das Forschungsteam der Tohoku-Universität in Japan fortschrittliche Techniken wie rationales Legierungsdesign und präzise Mikrostrukturkontrolle. Sie verwendeten zudem Phasendiagramme, um Legierungskomponenten und deren Proportionen auszuwählen. Durch Optimierung von Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren erreichten die Forscher die gewünschten Materialeigenschaften.

„Diese Entdeckung setzt nicht nur einen neuen Standard für superelastische Materialien, sondern führt auch neue Prinzipien für das Materialdesign ein, die zweifellos weitere Durchbrüche in der Materialwissenschaft inspirieren werden.“

– Xu sagte, während er die Auswirkungen der Studie hervorhob, die über unmittelbare praktische Anwendungen hinausgehen

Überwindung der Beschränkungen

Legierungen gibt es seit der Antike, und ihre Verwendung ist heute in den meisten Bereichen des modernen Lebens zu sehen.

Es ist einfach eine Mischung aus zwei oder mehr Metallen oder einem Metall und anderen nicht‑metallischen Elementen. Das Mischen von zwei Metallen verleiht Legierungen unerwartete Eigenschaften, wie eine höhere Festigkeit als die einzelnen Metalle, aus denen sie bestehen.

Das liegt daran, dass jede Substanz innerhalb der Legierung ihre eigenen Eigenschaften in die Mischung einbringt. Durch sorgfältige Chemie werden präzise Verhältnisse geschaffen, um Stoffe mit einzigartigen Eigenschaften zu erzeugen.

Während die physikalischen Eigenschaften einer Legierung, wie Dichte und Leitfähigkeit, sich möglicherweise kaum von den Elementen unterscheiden, aus denen sie besteht, machen ihre ingenieurtechnischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Metalllegierungen in einer Vielzahl von Branchen, darunter Elektronik, Fertigung, Luft‑ und Raumfahrt sowie Automobilindustrie, sehr begehrt.

Ein populäres Beispiel für eine Legierung ist Stahl, der durch Mischen eines metallischen Elements, Eisen, mit einer kleinen Menge eines nicht‑metallischen Elements, Kohlenstoff, hergestellt wird. Die geringen Kosten und die hohe Zugfestigkeit von Stahl machen ihn in Infrastruktur und Bauwesen weit verbreitet.

Ein weiteres gängiges Beispiel ist Messing, eine Legierung aus zwei Metallen – Kupfer und Zink. Sein niedriger Schmelzpunkt und seine hohe Haltbarkeit machen es beliebt in Anwendungen wie Lager, Schlösser, Gerätekomponenten und Munitionsteile. Legierungen sind also wirklich vorteilhaft und haben breite Anwendungsmöglichkeiten. 

Jetzt sind metallische Materialien, die die Fähigkeit zu signifikanter elastischer Verformung besitzen, ohne zu brechen oder plastische Verformungen zu zeigen, für reale Anwendungen, die Druckhandhabung erfordern, äußerst wichtig. Solche Materialien können zudem den Weg für spannungsbedingte Änderungen chemischer oder physikalischer Eigenschaften öffnen.

Aber natürlich können die meisten metallischen Materialien nur kleine elastische Verformungen aushalten, weniger als 0,5 %.

Hier kommen Formgedächtnislegierungen wie Ni‑Ti als Lösung ins Spiel, indem sie dank ihrer reversiblen Phasenumwandlungen, die als Superelastizität bekannt sind, große rückholbare Verformungen von etwa 10 % zeigen. Diese Superelastizität ermöglicht es bestimmten Legierungssystemen wie Cu‑Al‑Ni, noch größere rückholbare Verformungen von über 17 % zu erreichen.

Unter den Formgedächtnislegierungen (SMAs) bieten titanbasierte Legierungen eine kraftvolle Kombination aus mechanischer Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit und Erschwinglichkeit, was sie für verschiedene Anwendungen vielversprechend macht.

Während Ti‑basierte Formgedächtnislegierungen üblicherweise durch Zugabe einer erheblichen Menge dichterer Elemente wie Zirkonium (Zr) oder Niob (Nb) entwickelt wurden, um die Beta‑Phase bei Raumtemperatur zu stabilisieren, beeinträchtigt dies ihr geringes Gewicht, während ihre Superelastizität bereits recht niedrig ist, weniger als 3 %.

Um diese Beschränkungen zu überwinden, wird ein noch leichteres Element, Al, in Ti eingearbeitet, um ein Gleichgewicht zwischen geringem Gewicht und starken mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Hier wurden die weit verbreiteten Ti‑6Al‑4V‑Legierungen hauptsächlich als leichte Strukturmaterialien und gelegentlich für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Sie zeigen jedoch keine superelastischen Eigenschaften.

Daher untersuchte das Forschungsteam das binäre Ti‑Al‑Phasendiagramm genau und folgte basierend darauf thermodynamischen Richtlinien, um weniger als 5 at % Cr in die Ti‑Al‑Matrix einzubringen. Anschließend stabilisierten sie die Beta‑Phase bei Raumtemperatur durch schnelles Abschrecken von hohen Temperaturen.

Infolgedessen konnten die Forscher erfolgreich eine neue Ti‑Al‑basierte Legierung mit starken Eigenschaften für Temperaturwechsel synthetisieren.

Enormes Potenzial in der Weltraumerkundung 

Fortschrittliche Anwendungen wie Luft‑ und Raumfahrt und Weltraumerkundung erfordern Materialien, die Leichtigkeit, Funktionalität und extreme Temperaturfluktuationsbeständigkeit ausbalancieren. Während Formgedächtnislegierungen (SMAs) dank ihrer Haltbarkeit, Robustheit und signifikanten Strain‑Recovery durch Superelastizität ein hohes Potenzial zeigen, ist es eine Herausforderung, ihr geringes Gewicht zu erhalten und bei extrem niedrigen Temperaturen effektiv zu arbeiten. 

So stellte das Team die neue Legierung Ti‑Al‑Cr vor, die strengen Standards entspricht. Hauptsächlich aus Ti und Al bestehend, hat die Legierung bei Umgebungstemperatur eine niedrige Dichte (4,36 × 10³ kg m⁻³) und eine hohe spezifische Festigkeit (185 × 10³ Pa m³ pro kg) und zeigt gleichzeitig starke Superelastizität. 

Tatsächlich ermöglicht ihre Superelastizität eine rückholbare Verformung von über 7 %, die über einen breiten Temperaturbereich hinweg erhalten bleibt – von tiefkryogenischen 4,2 K bis über Raumtemperatur – und sie damit sowohl für Alltagsgeräte als auch für extreme Umweltbedingungen vielversprechend macht.

Im Gegensatz zu den meisten Formgedächtnislegierungen, die bei etwa Raumtemperatur Superelastizität zeigen, erfährt die neue Legierung keine thermisch induzierte martensitische Umwandlung (ein Phasenübergang, bei dem ein Festkörper seine Kristallstruktur ändert, ohne seine chemische Zusammensetzung zu verändern), selbst nach erheblicher Abkühlung.

Bei der Untersuchung ihrer Superelastizität bei verschiedenen Temperaturen stellte das Team fest, dass die Ti‑Al‑Cr‑Legierung über einen Bereich von 4,2 bis 400 K eine vollständige superelastische Erholung zeigt.

Die Studie stellte fest, dass die neu geschaffene Ti‑Al‑Cr‑Formgedächtnislegierung, die zur starken, leichten, korrosionsbeständigen und biokompatiblen Ti‑Legierungsfamilie gehört, aufgrund ihrer superelastischen Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich hinweg für viele Anwendungen vielversprechend ist.

Zum Beispiel kann die neue Legierung bei interplanetaren Missionen wie Artemis I, der ersten unbemannten Mondmission der NASA seit dem Apollo‑Programm, eingesetzt werden, um Metallmaterialien zu schaffen, die den harten Bedingungen des Weltraums standhalten und gleichzeitig ihre Leistung beibehalten, was eine bedeutende technologische Einschränkung darstellt.

Während NASA‑Wissenschaftler superelastische Ni‑Ti‑Reifen für die kommenden Mond‑ und Marsmissionen als Lösung entwickelt haben, besitzen auch diese Einschränkungen in ihren betrieblichen Temperaturbereichen.

Das Problem ist, dass diese Missionen Oberflächenfahrzeuge benötigen, die für langfristige planetare Erkundungen geeignet sind, was einen anderen Ansatz erfordert als Erdfahrzeuge, die herkömmliche gummierte pneumatische Reifen verwenden.

Das bedeutet, dass die Reifen die extremen Temperaturschwankungen des Mondes aushalten müssen, die von −173 °C bis 127 °C reichen. Neben der Temperatur müssen sie auch intensiver Sonnenstrahlung und dem Risiko einer katastrophalen Entleerung standhalten. 

Daher integrierte der Superelastic Tire Nitinol‑Formgedächtnislegierung in das Design, um die Beschränkung des ursprünglichen Reifendesigns der Apollo‑Mission zu beheben, das aufgrund der geringen elastischen Verformungsbereichs traditioneller Metalle eine begrenzte Haltbarkeit hatte. Das kommerziell erfolgreiche Nitinol‑Legierung hat jedoch ein begrenztes superelastisches Temperaturfenster von weniger als 80 °C.

Hier sagte Xu: „Die neue Legierung birgt großes Potenzial für die Herstellung von nächsten‑Generation Superelastic Tires“, und betonte ihr starkes Potenzial für Tiefen‑Weltraum‑ und Tiefsee‑Erkundungen.

Darüber hinaus kann das neue Material auch für sicherere und energieeffizientere Anwendungen sowie für medizinische Anwendungen verwendet werden.

Nicht nur das leichte Material verfügt über eine große Rückprallfähigkeit über weite Temperaturbereiche, sondern wie das Team bemerkte, sind die Elemente Al und Cr zudem reichlich vorhanden und kostengünstiger als Ni und Nb. Die einfachere Zusammensetzung der neuen Legierung könnte zudem zu einer geringeren Umweltbelastung bei der extraktiven Metallurgie und der großtechnischen Produktion führen, fügten die Forscher hinzu.

Die Forschung stellte fest:

„Mit zahlreichen potenziellen Anwendungen sowie der Möglichkeit zur Massenproduktion mittels bestehender metallurgischer Fertigungsverfahren, die für Ti‑64 entwickelt wurden, eröffnet die leichte, aber starke Ti‑Al‑Cr‑Formgedächtnislegierung neue Möglichkeiten, das Studium und die Nutzung leichter multifunktionaler Materialien voranzutreiben.“

Innovation im Feld

ATI Inc

Betrachten wir ein relevantes investierbares Unternehmen, ist ATI (NYSE: ATI) der prominenteste Name, der hier zahlreiche Fortschritte erzielt. Das Unternehmen geht die schwierigsten Herausforderungen der Welt durch Materialwissenschaften an

ATI ist ein Hersteller von Hochleistungs‑Materialien und Komponenten für die globalen Verteidigungs‑ und Luft‑und‑Raumfahrtmärkte sowie für die Elektronik-, Medizin‑ und Spezialenergiesektoren. Mit Hilfe seiner Materialien können Unternehmen Produkte herstellen, die höher und schneller fliegen, stärker standhalten, länger halten, heißer brennen und tiefer tauchen.

Im Luft‑ und Raumfahrtsektor liefert ATI seine Legierungen in einem vollständigen Sortiment von Walzprodukten, Schmiedeteilen, Titan‑Gussstücken und bearbeiteten Komponenten. Neben Titan umfassen seine Produkte und Komponenten auch Niob, rostfreien und Spezialstahl sowie Pulver‑Superlegierungen.

Der Verteidigungssektor, der Regierungsverteidigungsabteilungen, Rüstungsunternehmen und Fertiger bedient, verfügt über Spezialmaterialien, darunter Titanlegierungen für Panzerungen, Hochfestigkeit und Hochtemperaturanwendungen. Weitere Materialien umfassen nickelbasierte Legierungen, Wolfram, Zirkonium, Hafnium und Niob sowie hochharte, doppelt‑hohe‑harte, ultra‑hohe‑harte und rostfreie Stähle.

ATI liefert seine Materialien und Komponenten auch an den Medizinbereich, den wachsenden Markt für Unterhaltungselektronik und Energieversorger, die Solar, Kernenergie, Kohle, Öl & Gas sowie die chemische und kohlenwasserstoffverarbeitende Industrie (CPI/HPI) abdecken.

Mit einer Marktkapitalisierung von 8,22 Mrd. $, handeln die ATI‑Aktien zum Zeitpunkt dieses Schreibens bei 58,36 $, ein Anstieg von 5,63 % im Jahresverlauf. Laut CNBC beträgt das EPS (TTM) 2,55, das KGV (TTM) 22,66 und die Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) 22,82 %.

Bezogen auf die Finanzen des Unternehmens meldete es für das jüngste Quartal, Q4 2024, einen Umsatz von 1,2 Mrd. $, was einem Anstieg von 10 % gegenüber Q4 2023 entspricht. Luft‑ und Raumfahrt sowie Verteidigung machten dabei massive 65 % aus. 

Höhere Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsumsätze der nächsten Generation von Verkehrsstrahltriebwerken und Flugzeugrahmenprodukten trugen tatsächlich dazu bei, dass die HPMC‑Umsätze von ATI um 81,8 Mio. $ stiegen. Das Segment High‑Performance Materials & Components (HPMC) stellt ein breites Spektrum an Materialien her, darunter nickelbasierte Legierungen, kobaltbasierte Legierungen, titanbasierte Legierungen, Titan, Superlegierungen, fortschrittliche Pulverlegierungen und andere spezialisierte Materialien.

Die Verkäufe des AA&S‑Segments stiegen im Quartal hingegen um 39,7 Mio. $, getrieben nicht nur durch höhere Verkäufe von Verteidigungsanwendungen und Produkten der nächsten Generation von Verkehrsstrahltriebwerken, sondern auch durch das Wachstum in den Spezialenergiesektoren und dem Medizinmarkt. Das Segment Advanced Alloys & Solutions (AA&S) produziert nickelbasierte Legierungen, Titan‑ und titanbasierte Legierungen sowie Speziallegierungen.

Laut CEO Kimberly A. Fields, die eine anhaltende robuste Nachfrage in diesem Jahr erwartet:

„Unsere Ergebnisse des vierten Quartals zeigten die starken Grundlagen unseres Geschäfts, da wir die steigende Kundennachfrage erfüllten.“

Bemerkenswert war, dass ATI im Gesamtjahr einen Umsatz von 4,4 Mrd. $ erzielte, die höchste Zahl in zwölf Jahren. Der operative Cashflow lag bei 407 Mio. $, und der freie Cashflow betrug 248 Mio. $, ein Anstieg von 50 % gegenüber dem Vorjahr.

Bezüglich des Nettogewinns des Unternehmens im Quartal betrug dieser 137 Mio. $ bzw. 0,94 $ pro Aktie. Der bereinigte Gewinn pro Aktie lag bei 0,79 $.

ATI kaufte in diesem Zeitraum zudem Aktien im Wert von 70 Mio. $ zurück, und die gesamte Aktienrückkaufgenehmigung, Stand 29. Dezember 2024, die im Rahmen des autorisierten Rückkaufprogramms von 700 Mio. $ verbleibt, betrug 590 Mio. $.

Am Jahresende verfügte das Unternehmen über 721 Mio. $ in bar, wobei Fields bemerkte:

„Wir bleiben verpflichtet, Kapital effizient einzusetzen, um Wachstumschancen zu nutzen und Kapital an unsere Aktionäre zurückzugeben.“

Im vergangenen Jahr meldete das Unternehmen Ausgaben von 239 Mio. $ für Investitionen, um seine Kapazität und Fähigkeiten zu erweitern, während es mehr als 65 Mio. $ an Barmitteln aus dem Verkauf von Nicht‑Kern‑Assets generierte, die ATI im Rahmen seiner Zuverlässigkeits‑ und Engpass‑Beseitigungs‑Strategie wieder einsetzen wird.

„Wir glauben, ATI ist sehr gut positioniert für eine anhaltend starke Leistung, die Wachstum und Wertschöpfung im Jahr 2025 und darüber hinaus vorantreiben wird,“ sagte die CEO und betonte den Fokus des Unternehmens auf „agil zu bleiben“, während sich die Lieferkette normalisiert und geopolitische Unsicherheiten sich entwickeln, einschließlich Änderungen der globalen Handelspolitik. „Mit einer sehr starken Nachfrage in unseren Endmärkten glauben wir, dass wir bereit sind, Wachstum und Margenerweiterung im Jahr 2025 und darüber hinaus zu liefern,“ fügte Fields hinzu.

Mitten in alledem feierte ATI letzten Monat die Inbetriebnahme seiner Additive Manufacturing Products‑Anlage. Durch die Bereitstellung seiner großformatigen Metall‑Additive‑Manufacturing‑Fähigkeiten hat das Unternehmen Design, Bearbeitung, Druck, Wärmebehandlung und Inspektionsmöglichkeiten an einem Ort zusammengeführt.

Dies wird ATI die Fähigkeit geben, hochkomplexe Komponenten schneller und mit weniger Abfall zu produzieren. Durch die Kombination von Materialwissenschaft und additiver Fertigung wird das Unternehmen zudem in der Lage sein, hochwertige Produktion im großen Maßstab zu liefern.

Bechtel Plant Machinery Inc. hat ATI bereits seinen ersten Auftrag erteilt, der in der neuen Anlage für hochentwickelte Bauteillösungen zur Unterstützung des US Naval Nuclear Propulsion Program hergestellt wird.

„Von der Konstruktion bis zum fertigen Produkt haben wir ein Kraftpaket geschaffen, das die schwierigsten Herausforderungen unserer Kunden für die anspruchsvollsten Märkte – Luft‑ und Raumfahrt, Verteidigung und Weltraum – löst.“

– Fields

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Fazit

Weltraumerkundung ist entscheidend, um das Universum zu verstehen und das Leben auf der Erde zu verbessern. Daher gibt es ein wachsendes Interesse von Regierungsbehörden und privaten Unternehmen.

Dies, zusammen mit der Erforschung der Lagerung von verflüssigtem Gas für zukünftige CO₂‑Neutralität, hat eine dringende Nachfrage nach leichten strukturellen und funktionalen Materialien geschaffen, die unter extremen Bedingungen funktionieren können. 

Um diese Nachfrage zu decken, haben Forscher die titan‑aluminiumbasierte superelastische Legierung entwickelt, die einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft darstellt.

Ausgestattet mit kraftvollen Eigenschaften wie außergewöhnlicher Festigkeit und Flexibilität über extreme Temperaturen hinweg, bietet diese neue Legierung großes Potenzial für Anwendungen in extremen Umgebungen wie Luft‑ und Raumfahrt und Medizin. Dennoch gibt es noch viel zu tun bei der Integration der Legierung in Produkte, was möglicherweise 4 bis 7 Jahre dauern kann.​

Doch während Forschung und Entwicklung weitergehen, können solche Fortschritte in der Materialwissenschaft und deren anschließende Integration in praktische Anwendungen Innovationen in verschiedenen Branchen vorantreiben und den Weg für technologischen Fortschritt und eine bessere Zukunft ebnen!

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