Potentialtopf statt Schmelztiegel

Nicht nur in der Schwerelosigkeit lassen die TU-Wissenschaftler ihre Metallproben fliegen. Auch auf der Erde, in ihren Laborräumen in der Joachimsthaler Straße 31-32 untersuchen die Forscher freischwebende Metalltropfen. Das ist natürlich keine Zauberei, sondern ein Kunstgriff der Wissenschaftler.

In der Regel untersuchen die TU-Forscher flüssige Metalle bei Temperaturen zwischen 1000 °C und 3500 °C. Stahl schmilzt beispielsweise bei rund 1600 °C, Wolfram erst bei 3380 °C. Traditionelle Methoden - etwa das Schmelzen von Proben in einem hitzebeständigen Tiegel - sind für die Forscher häufig nicht genau genug. Denn dann treten Reaktionen zwischen Gefäßwand und Metall auf, die bestimmte Untersuchungen verfälschen können.

Die Wissenschaftler lösen dieses Problem mit einer speziellen Spule. Deren Windungen sind nicht in einer Richtung gedreht, sondern wechseln in der Mitte ihre Orientierung. Fließt Strom durch diese Spule, entsteht kein einfaches elektromagnetisches Feld, sondern es entstehen zwei Felder, die einander entgegengesetzt gerichtet sind. In der Mitte, wo sich die Drehrichtung der Spule ändert, begegnen sich die Feldlinien und lassen einen sogenannten Potentialtopf entstehen.

In diesem Potential topf kann ein elektrisch leitendes Material - ein Metallkügelchen etwa - in der Schwebe gehalten werden. Ähnlich ergeht es einem Eisenkügelchen, das man mit einigen Stabmagneten und etwas Geschicklichkeit in der Luft balancieren kann.

Zudem sorgt die Spule und das durch Wechselstrom erzeugte elektromagnetische Feld dafür, daß die Metallprobe heiß wird und zu einem Metalltropfen schmilzt. Unter anderem bestimmen die Materialforscher mit Hilfe optischer Methoden das Volumen und die Oberflächengestalt der flüssigen Proben.

Der Nachteil: Damit die Probe schwebt, muß der Spulenstrom immer eine bestimmte Mindeststärke haben. Das führt aber dazu, daß die vom Wechselfeld erzeugte Hitze einen bestimmten Wert nicht unterschreitet. Im Versuchsaufbau der TU-Wissenschaftler sind das rund 1000 °C. Metalle, deren Schmelzpunkt unter 1000 °C liegt, können also nicht in ihrem gesamten flüssigen Bereich untersucht werden.

Kein Problem in der Schwerelosigkeit: Hier braucht man den Trick mit dem Potentialtopf nur noch zum Positionieren des Metalls. Der benötigte Spulenstrom ist geringer, und der Heizeffekt des Feldes nicht mehr so stark. Damit können die Untersuchungstemperaturen niedriger sein als auf der Erde.

rs