Iridium und seine Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt: Das Metall für extreme Umweltbedingungen

Einführung

Iridium ist eines der erstaunlichsten Elemente der Welt - selten, widerstandsfähig und nahezu unzerstörbar. Wegen seines silbrig-weißen Glanzes und seiner hohen physikalischen Stabilität fasziniert dieses Metall Wissenschaftler und Ingenieure schon seit langem. Es erscheint im Periodensystem mit dem Symbol Ir und der Ordnungszahl 77 und gehört damit zu den Platingruppenmetallen (PGM), zu denen Platin, Rhodium, Palladium, Osmium und Ruthenium gehören.

Obwohl es nur 0,001 Teile pro Million Teile der Erdkruste ausmacht, wird Iridium aufgrund seiner besonderen Kombination von Eigenschaften - Schmelzpunkt, Korrosionsbeständigkeit und Härte - in den anspruchsvollsten Umgebungen eingesetzt, in denen etwas benötigt wird, das unzerstörbar bleibt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Eigenschaften von Iridium: Ein unvergleichliches Metall

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Iridium sind nahezu konkurrenzlos. Es hat einen Schmelzpunkt von 2.446 °C und einen Siedepunkt von etwa 4.500 °C und gehört damit zu den hochschmelzenden Metallen. Seine Dichte (22,56 g/cm³) ist die zweithöchste nach Osmium, was ihm eine Rekordmasse pro Volumeneinheit und eine hohe Festigkeit verleiht.

Chemisch gesehen ist Iridium extrem inert. Es widersteht der Korrosion durch Säuren, Oxidation und die meisten korrosiven Stoffe selbst bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu den meisten Metallen läuft es in der Atmosphäre nicht an und reagiert auch nicht leicht mit Säuren oder Wasser, was ihm den Beinamen eines der korrosionsbeständigsten Materialien eingebracht hat, die der Menschheit bekannt sind.

Mechanisch gesehen ist Iridium in seiner ursprünglichen Form hart und spröde, aber wenn es legiert wird - vor allem mit Osmium oder Platin - lässt es sich leichter bearbeiten und behält dabei seine größere Haltbarkeit. Diese Legierungen weisen eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf und behalten ihre mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen, bei denen die meisten Metalle verdampfen oder sich verformen würden.

Aus diesen Gründen wird Iridium häufig verwendet, wenn Materialien unter extremen oder hochreaktiven Bedingungen einwandfrei funktionieren müssen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt unter Hochtemperaturbedingungen und in der Weltraumforschung.

Lesen Sie weiter: Iridium: Eigenschaften und Verwendungen des Elements

Iridium-Legierungen: Verbesserte Leistung durch Synergie

Reines Iridium ist sehr stabil, aber aufgrund seiner Sprödigkeit lässt es sich nur schwer bearbeiten oder herstellen. Dieses Problem lässt sich durch Legieren mit anderen Metallen lösen, so dass das Potenzial des Elements für eine breitere Palette von Anwendungen genutzt werden kann.

- Iridium-Platin-Legierungen:

Diese werden häufig in Thermoelementen für die Luft- und Raumfahrt und die Industrie verwendet, die als Elektroden und als Temperaturmessstellen für Bedingungen über 1800 °C eingesetzt werden. Der Zusatz von Iridium erhöht die Oxidationsbeständigkeit der Legierung und die Lebensdauer unter schwierigen Bedingungen.

- Iridium-Osmium-Legierungen:

Aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und Härte werden diese Legierungen in Drehzapfen von Präzisionsinstrumenten, Lagern und elektrischen Kontakten verwendet, die ständigen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

- Iridium-Rhenium-Legierungen (Ir-Re):

Die bei weitem bedeutendste Legierung für die Luft- und Raumfahrt, die Ir-Re-Legierung, kombiniert die Hitzebeständigkeit von Iridium mit der Duktilität von Rhenium. Das Ergebnis ist ein Metall, das Temperaturen von über 2000 °C standhält und dabei seine Zähigkeit und Kriechfähigkeit beibehält. Die Legierung ist vor allem für Raketenmotoren von Bedeutung, insbesondere für Schubkammerauskleidungen und Düsen, die hohen Temperaturen und reaktiven Abgasen ausgesetzt sind.

Diese Iridiumlegierungen werden in der Regel durch Pulvermetallurgie oder chemische Abscheidung aus der Gasphase hergestellt, da Iridium einen hohen Schmelzpunkt hat und auf herkömmliche Weise nur schwer zu gießen ist.

Luft- und Raumfahrtanwendungen von Iridium

Iridium ist in der Luft- und Raumfahrttechnik meist unsichtbar, aber nicht zu vernachlässigen. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Stabilität unter rauen thermischen, chemischen und mechanischen Bedingungen eignet es sich am besten für Teile, bei denen ein Versagen nicht zulässig ist.

1. Raketentriebwerke und Antriebssysteme

Die wohl bedeutendste Verwendung von Iridium in der Luft- und Raumfahrt ist der Einsatz in Raketentriebwerken. Die Ir-Re-Legierung wird in der Auskleidung der Schubkammer verwendet, die den Verbrennungsgasen bei mehr als 2000 °C direkt ausgesetzt ist. Iridium bietet eine Oxidations- und Erosionsbarriere für die Hochgeschwindigkeitsabgase.

Eine bekannte Anwendung ist die Verwendung von Ir-Re-Legierungen durch die NASA in bipropellanten Raketenmotoren für Missionen im tiefen Weltraum. Bei den Raumsonden Voyager, Cassini und New Horizons wurden iridiumausgekleidete Brennkammern eingesetzt, um im Vakuum des Weltraums einen zuverlässigen Langzeitschub zu gewährleisten. Diese Art von Triebwerken muss Jahr für Jahr einwandfrei und wartungsfrei funktionieren - etwas, das nur sehr wenige andere Materialien als Iridium garantieren können.

2. Satelliten-Energiesysteme und Kommunikation

Die Verwendung von Iridium ist nicht auf den Antrieb beschränkt. Das Element hat eine wichtige Funktion in der Iridium-Satellitenkonstellation, einem Netz von über 60 funktionierenden Satelliten mit weltweiter Kommunikation. Obwohl die Konstellation selbst nach dem Element benannt wurde, da ursprünglich 77 Satelliten geplant waren (die mit der Ordnungszahl von Iridium übereinstimmen), findet Iridium auch in bestimmten Komponenten von Satelliten Verwendung.

In Kontakten und Steckern bleiben Iridium-Beschichtungen oxidationsbeständig und bieten eine stabile Leitfähigkeit bei Strahlung und Temperaturschwankungen im Weltraum. Die gleiche Robustheit, die Iridium für Triebwerkskammern geeignet macht, gilt auch für die Aufrechterhaltung der elektrischen Integrität in der Weltraumelektronik.

3. Thermoelemente und Sensoren

In Überwachungs- und Prüfsystemen für die Raumfahrt ist die Temperaturmessung von größter Bedeutung. Iridium-Platin-Thermoelemente messen die extremen Temperaturen in Raketendüsen, Turbinen und Wiedereintrittsfahrzeugen. Sie bleiben bei 2000 °C stabil und präzise, während die meisten anderen Sensormaterialien schmelzen oder sich zersetzen würden.

4. Wiedereintritt von Raumfahrzeugen und Schutzbeschichtungen

Iridium wird manchmal auch als Schutzbeschichtung für Hochtemperaturkomponenten verwendet, insbesondere für Wiedereintrittsfahrzeuge und Sonden, die der Reibung in der Atmosphäre ausgesetzt sind. Dünne, haftende Iridiumbeschichtungen mit stark erhöhter Oxidations- und Erosionsbeständigkeit können durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden.

Ein Beispiel sind iridiumbeschichtete Rhenium-Satelliten-Lageregelungstriebwerke, die eine Lebensdauer von mehr als 10.000 Zündzyklen aufweisen und damit die Leistung von Standard-Nickel- oder Platinbeschichtungen weit übertreffen.

Schlussfolgerung

Iridium steht an der Spitze der Materialwissenschaft und der Luft- und Raumfahrttechnik. Mit seiner unübertroffenen Hitze-, Korrosions- und mechanischen Abriebbeständigkeit ist es ein Schlüsselmetall für Raumfahrtantriebe, Sensoren und Schildbeschichtungen. Vom Kern von Raketentriebwerken bis hin zu Satellitenschaltkreisen verändert Iridium die Zukunft der Luft- und Raumfahrt - leise, prächtig und unauflöslich. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).