Wie die dünnsten Materialien der Erde die Raumfahrttechnik beflügeln sollen

Auf Basis Seltener Erden entwickelt ein internationales Forschungsteam High-Tech-Werkstoffe für Satellitensensoren, Strahlungsschutz und Quantencomputer.

Ein internationales Forschungsteam soll die dünnsten bekannten Werkstoffe der Erde – sogenannte 2D-Materialien – für die Weltraumtechnologie nutzbar machen. Für das Projekt, das von der University at Buffalo (UB) im US-Bundesstaat New York geleitet wird, gibt es einen Dreijahreszuschuss in Höhe von 2,4 Millionen Dollar durch das Forschungsbüro der US-Luftwaffe.

2D-Materialien bestehen aus nur einer einzigen Schicht von Atomen und weisen einzigartige Eigenschaften auf, so kombinieren die nahezu transparenten Werkstoffe etwa extreme Flexibilität und mechanische Stabilität mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Zu den zahlreichen potenziellen Anwendungsfeldern gehören Halbleitertechnologien, Sensorik, Quantencomputer und Medizintechnik. 2D-Materialien sind derzeit Gegenstand intensiver Forschungen. Der bekannteste Vertreter ist die ultradünne Kohlenstoffschicht Graphen. In dem von der UB geleiteten Projekt stehen allerdings 2D-Materialien im Fokus, die Ionen von Seltenerdelementen enthalten, also elektrisch geladene Atome. Sie lassen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für gleich mehrere Einsatzgebiete im Weltraum nutzen, darunter Energiespeicherung, Photokatalyse, Satellitensensoren, Quantenkommunikation, Schutz vor kosmischer Strahlung, aber auch die Nutzung energiereicher Strahlung als Brennstoff. Aufgrund der hohen Kosten und der begrenzten Masse müsse Weltraumtechnologie multifunktional sein, betonen die Forscher. Bei der Entwicklung dieser spezialisierten High-Tech-Materialien, die auf die extremen Bedingungen im All zugeschnitten sind, sollen maschinelles Lernen – ein Gebiet der künstlichen Intelligenz – und quantenmechanische Modellierung helfen.

Das Projekt adressiert bislang ungelöste Anforderungen in der Raumfahrttechnik und soll zugleich das grundlegende Verständnis über 2D-Materialien verbessern, so Dr. Paras Prasad, geschäftsführender Direktor des UB-Instituts für Laser, Photonik und Biophotonik. Neben der University at Buffalo sind die Michigan State University, die North Carolina Agricultural and Technical State University, das KTH Royal Institute of Technology in Stockholm und das Indian Institute of Technology Delhi beteiligt, Unterstützung gibt es außerdem von Wissenschaftlern des US-Verteidigungsministeriums.

Mehr zu Rohstoffen in der Weltraumforschung: Auch bei einer anderen Herausforderung der Raumfahrt – der Versorgung der Astronauten mit Sauerstoff – könnten Seltene Erden den Durchbruch bringen. Wie Technologiemetalle künftig bei der Suche nach außerirdischem Leben helfen könnten, erforscht derweil ein NASA-Projekt. Rohstoffe wie Indium und Tellur spielen aber bereits jetzt eine entscheidende Rolle bei der Erforschung des Weltraums, etwa durch ihren Einsatz beim Bau des James Webb Teleskops.

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