Wärme lässt neue Hightech-Legierung kalt

Thermische Ausdehnung reduziert sich auf fast Null und ermöglicht breite Anwendungspalette

Eiffelturm: Höhe schwankt wegen Temperatur um zehn bis 15 Zentimeter (Foto: Edi Nugraha/pixabay.com)

Wien/Peking (pte016/04.02.2025/11:30)

Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) und der University of Science and Technology Beijing haben neue Werkstoffe entwickelt, die sich trotz hoher Temperaturschwankungen fast nicht ausdehnen oder zusammenziehen. Das macht sie ideal zur Verwendung von Geräten im Weltraum, die ohne Funktionsstörungen auskommen müssen. Ähnlich ist es bei Hochpräzisions-Messgeräten auf der Erde, deren Ergebnisse durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden.

Invar funktioniert optimal

Invar, eine Legierung aus Eisen und Nickel, ist ein durch das wenig wissenschaftliche Verfahren "Versuch und Irrtum" gefundenes Material, das die Anforderungen an Temperaturbeständigkeit recht ordentlich erfüllt. Wie sich das jedoch physikalisch erklären lässt, war bisher unklar. Dieses Rätsel hat das Team mithilfe von Computersimulationen nun gelöst. Es gelang zudem ein Rezept zu finden, nach dem sich Werkstoffe herstellen lassen, die noch bessere Eigenschaften haben als Invar.

"Je höher die Temperatur in einem Material ist, desto mehr neigen die Atome dazu, sich zu bewegen. Und wenn sich die Atome mehr bewegen, brauchen sie mehr Platz. Der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen nimmt zu. Dieser Effekt ist die Grundlage der thermischen Ausdehnung und kann nicht verhindert werden. Aber es ist möglich, Materialien herzustellen, bei denen er durch einen anderen, kompensierenden Effekt fast komplett ausgeglichen wird", so TU-Wien-Forscher Sergii Khmelevskyi. Diese Kompensation sei auf die Änderung der magnetischen Ordnung im Material zurückzuführen.

Magnet aus vier Metallen

Diese Erkenntnisse haben die Forscher zur Herstellung eines Pyrochlor-Magneten genutzt, der aus Zirkonium, Niob, Eisen und Kobalt besteht. Dieser verformt sich über einen Temperaturbereich von über 400 Kelvin nur um ein Zehntausendstel Prozent pro Grad. Ein zehn Zentimeter langer Block aus dieser Legierung nimmt also bei einer Erhitzung von Null auf 400 Grad Celsius um vier Mikrometer zu.

"Erstmals gibt es jetzt eine Theorie, die konkrete Vorhersagen für die Entwicklung neuer Materialien mit verschwindender thermischer Ausdehnung treffen kann", sagt Khmelevskyi. Bestünde der gut 300 Meter hohe Eiffelturm in Paris aus dem neuen Material, würde er im Sommer nicht um 10 bis 15 Zentimeter wachsen, sondern nur um Millimeter.

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