Mit der Internationalen Raumstation ISS steht im All ein neuartiges Technologiezentrum mit zum Teil noch ungeahnten Möglichkeiten für die Erde zur Verfügung. Experten sind sich einig, dass der irdische Nutzen der unterschiedlichsten Forschungsund Entwicklungsbereiche beträchtlich sein wird. Aufgrund der auf der ISS, die die Erde in einer Höhe von durchschnittlich 400 km mit einer Geschwindigkeit von etwa 28.000 km/h umkreist, kompensierten Schwerkraft ist es möglich, Elementarprozesse aufzuklären, die auf der Erde durch Gravitationseinflüsse maskiert werden. Bereits im Rahmen der Vorbereitung der für die ISS vorgesehenen Laboreinrichtungen wurden erste terrestrische Spin-offs ermöglicht.

Ein solcher bemerkenswerter Transfer wurde beispielsweise auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften erwirkt. Um Experimente im Bereich des Materialdesigns aus der Schmelze durchführen zu können, befindet sich auf der ISS das Material Science Laboratory (MSL). Der Kernbereich des MSL umfasst Ofeneinsätze, um Materialschmelzen zu erzeugen und nachfolgend die Erstarrungsprozesse während der Abkühlphasen beobachten zu können.

Erstarrung ist eine gängige Methode bei der Produktion metallischer Werkstoffe. Durch die Technik der gerichteten Erstarrung können unterschiedliche Mikrostrukturen und daraus resultierend vielfältige Materialeigenschaften erreicht werden. Zur Vorherbestimmung der Eigenschaften ist es notwendig, die Erstarrungsgeschwindigkeit zu kontrollieren und die reale Position des Übergangs zwischen flüssiger und fester Phase zu messen, insbesondere unter unstetigen Erstarrungsbedingungen. Für den Einsatz auf der ISS wurde am 2. Physikalischen Institut der Universität Leipzig ein Ultraschall-Puls-Echo-Verfahren entwickelt, mit dem Position und Geschwindigkeit der Erstarrungsfront bestimmt werden können. Mittels longitudinal geführter Ultraschallwellen wird der Ultraschallpuls am Fest-/Flüssig-Übergang vollständig reflektiert. Durch Bestimmung der Laufzeit des Echosignals kann die aktuelle Position des Phasenübergangs im Material bis herab zu 10 µm Genauigkeit während der Erstarrung und die Wachstumsgeschwindigkeit genauer als 1 µm/s bestimmt werden. Die Leipziger Ultraschall-Technik erlaubt darüber hinaus mit Hilfe komplexer Pulsanalysemethoden die Bestimmung der Ultraschalllaufzeit mit einer Genauigkeit besser als 0,5 ns.

In Dezember 2002 präsentierte die Universität Leipzig diese Technologie im Rahmen einer der regelmäßig von MST Aerospace durchgeführten Veranstaltungen zur Vermittlung von Kooperationen zwischen sich dort darstellenden Raumfahrtunternehmen bzw. -instituten und Vertretern anderer Industriezweige. Die beiden Geschäftsführer der im April 2002 neu gegründeten Firma PFW Technologies GmbH wurden durch diese Präsentation zur Lösung einer in ihrem Hause vorliegenden Fragestellung inspiriert. PFW Technologies befasste sich mit der Bestimmung von Vorspannkräften in Schraubverbindungen; hierbei wird ein piezoelektrischer Film auf das Verbindungselement aufgebracht, mit dem über Ultraschallanregung die Festigkeit der Verbindung festgestellt werden kann. Zur Realisierung dieser Technologie kam das messtechnische Know-how der Universität Leipzig wie gerufen. Innerhalb eines halben Jahres gelang es, eine kompakte Notebook-gesteuerte Messeinrichtung zu entwickeln, mit der die Spannkraft in Schrauben direkt gemessen werden kann. Schraube, piezoelektrische Schicht und Messeinrichtung bilden für den Montagevorgang eine Einheit, das sog. Permanent Mounted Transducer (PMT) System. Die Schraube des PMT-Systems arbeitet als Träger des eingebrachten Ultraschallsignals, das am Schraubenende reflektiert wird und dessen Laufzeit direkt proportional zur Vorspannkraft ist. Die mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens auf den Schraubenkopf aufgetragene piezoelektrische Dünnschicht dient als Impulsgeber für die Ultraschallmessung. Das Anziehwerkzeug, in dem ein Kontaktstift zur Signalübertragung integriert ist, ist mit einem Ultraschall-Messinstrument verbunden, das das Messsignal auswertet und den diskreten Wert der Vorspannkraft im Display zur Anzeige bringt. Für bereits angezogene Schrauben kann über die auf dem Schraubkopf verbleibende Beschichtung jederzeit die Festigkeit der Verbindung mit dem gleichen System überprüft werden. Die Kontrolle der Vorspannkraft mit dem PMT-System ist bis zu zehnmal genauer als herkömmliche indirekte Messverfahren.

Abb.: Sensor-Schrauben des PMT-Systems.

Mit dem PMT-System liegen nicht nur hochpräzise Aussagen über die tatsächlich vorhandene Vorspannkraft während der Montage vor, sondern auch bei der Inspektion im verschraubten Zustand. Mittels des Systems können außerdem Schraubenverbindungen kritischer Anlagen fernüberwacht werden. Im Kraftfahrzeug-, Eisenbahnoder Anlagenbau, in der chemischen Industrie oder in der Luftfahrt bietet das PMT-System ein Maximum an Sicherheit, indem es die Qualität von Verschraubungen messbar macht.