Neuer Rekord für das hitzebeständigste Material der Welt

Jul 11, 2023

Entdeckung ebnet den Weg für neue Arten von Hitzeschilden (Bild: NASA)

Forscher haben herausgefunden, dass Tantalcarbid- und Hafniumcarbid-Materialien sengenden Temperaturen von fast 4000 Grad Celsius standhalten können.

– Dr. Omar Cedillos-Barraza

Das Team vom Imperial College London entdeckte insbesondere, dass der Schmelzpunkt von Hafniumcarbid der höchste ist, der jemals für ein Material gemessen wurde. Die Fähigkeit, Temperaturen von fast 4000 °C standzuhalten, könnte den Weg für den Einsatz beider Materialien in immer extremeren Umgebungen ebnen, beispielsweise als hitzebeständige Abschirmung für die nächste Generation von Hyperschall-Raumfahrzeugen.

Tantalcarbid (TaC) und Hafniumcarbid (HfC) sind feuerfeste Keramiken und daher außerordentlich hitzebeständig. Aufgrund ihrer Fähigkeit, extrem rauen Umgebungen standzuhalten, könnten feuerfeste Keramiken in Wärmeschutzsystemen von Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen und als Brennstoffverkleidung in überhitzten Umgebungen von Kernreaktoren eingesetzt werden. Es stand jedoch nicht die Technologie zur Verfügung, um den Schmelzpunkt von TaC und HfC im Labor zu testen, um festzustellen, in welcher extremen Umgebung sie tatsächlich funktionieren könnten.

Die Forscher der Studie, die in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, entwickelten eine neue extreme Erhitzungstechnik mit Lasern, um die Hitzetoleranz von TaC und HfC zu testen. Mithilfe von Lasererwärmungstechniken ermittelten sie den Punkt, an dem TaC und HfC schmolzen, sowohl einzeln als auch als gemischte Zusammensetzungen beider.

Sie fanden heraus, dass die gemischte Verbindung (Ta0,8Hf0,20C) mit früheren Untersuchungen übereinstimmte und bei 3905 °C schmolz, aber die beiden Verbindungen allein übertrafen zuvor aufgezeichnete Schmelzpunkte. Die Verbindung TaC schmolz bei 3768 °C und HfC schmolz bei 3958 °C.

Die Forscher sagen, dass die neuen Erkenntnisse den Weg für die nächste Generation von Hyperschallfahrzeugen ebnen könnten, was bedeutet, dass Raumfahrzeuge schneller als je zuvor werden könnten.

Dr. Omar Cedillos-Barraza, derzeit außerordentlicher Professor an der University of Texas – El Paso, führte die Studie während seiner Doktorarbeit am Department of Materials von Imperial durch.

Dr. Cedillos-Barraza sagte: „Die Reibung beim Fahren über Mach 5 – Hyperschallgeschwindigkeit – erzeugt sehr hohe Temperaturen. Bisher waren TaC und HfC keine potenziellen Kandidaten für Hyperschallflugzeuge, aber unsere neuen Erkenntnisse zeigen, dass sie noch mehr Hitze aushalten können, als wir bisher dachten – mehr als jede andere der Menschheit bekannte Verbindung. Dies bedeutet, dass sie nützliche Materialien für neuartige Raumfahrzeuge sein könnten, die wie ein Flugzeug durch die Atmosphäre fliegen können, bevor sie Hyperschallgeschwindigkeit erreichen und in den Weltraum schießen. Diese Materialien könnten es Raumfahrzeugen ermöglichen, der extremen Hitze standzuhalten, die beim Verlassen und Wiedereintritt in die Atmosphäre entsteht.“

Beispiele für mögliche Anwendungen von TaC und HfC könnten in Nasenkappen von Raumfahrzeugen und als Kanten externer Instrumente liegen, die während des Fluges der größten Reibung standhalten müssen.

Derzeit befördern Fahrzeuge mit Geschwindigkeiten über Mach 5 keine Personen, aber Dr. Cedillos-Barraza schlägt vor, dass dies in Zukunft möglich sein könnte.

Dr. Cedillos-Barraza fügte hinzu: „Unsere Tests zeigen, dass diese Materialien für die Entwicklung von Raumfahrzeugen der Zukunft wirklich vielversprechend sind.“ Die Fähigkeit, solchen extremen Temperaturen standzuhalten, bedeutet, dass Missionen mit Hyperschall-Raumfahrzeugen eines Tages bemannte Missionen sein könnten. Beispielsweise kann ein Flug von London nach Sydney bei Mach 5 etwa 50 Minuten dauern, was Ländern auf der ganzen Welt eine neue Welt kommerzieller Möglichkeiten eröffnen könnte.“