Wer kennt es nicht, das archetypische Bild eines Satelliten: Zwei ausgestreckte Solar-«Flügel» und ein kompakter Körper, eingepackt in goldig oder silbrig schimmernde Folie. Genau mit dieser Folie beschäftigen sich Forschende aus dem Labor «Mechanics of Materials and Nanostructures» an der Empa in Thun. Ihre weite Verbreitung verrät es bereits: Die Folie ist für Satelliten und Raumsonden enorm wichtig. Es handelt sich dabei um sogenannte «Multilayer Insulation», auf Deutsch auch Superisolation. Sie besteht aus mehreren Lagen eines robusten Polymers, das mit einer dünnen Metallbeschichtung – meist Aluminium – versehen wird. Auf der Erde begegnet man der beschichteten Folie etwa in Form von Rettungsdecken.

An Bord der Raumfahrzeuge schützt die Superisolation die Elektronik vor Temperaturschwankungen. «Für Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn beträgt der Temperaturunterschied zwischen der sonnenab- und der sonnenzugewandten Seite rund 150 Grad», sagt Empa-Forscherin Barbara Putz. «Elektronik funktioniert aber am besten bei Raumtemperatur von 25 Grad Celsius.» Da sie unmittelbar den Weltraumbedingungen ausgesetzt ist, muss die Superisolation selbst Einiges aushalten können.

Als Polymerbasis wird für die Dünnschichtstruktur meist das äusserst widerstandsfähige Polyimid verwendet. Nebst seiner Temperatur- und Vakuumbeständigkeit zeichnet sich dieser Kunststoff auch dadurch aus, dass die Aluminiumschicht darauf besonders gut anhaftet. «Der Grund dafür ist eine wenige Nanometer dünne Zwischenschicht, die sich beim Beschichten zwischen dem Polymer und dem Aluminium bildet», erklärt Putz. Diese Zwischenschicht will die Forscherin nun genauer untersuchen – und sie gezielt einsetzten. Die Schicht soll nicht nur bessere Superisolation für künftige Satelliten ermöglichen, sondern auch die Entwicklung von flexibler Elektronik auf der Erde beschleunigen. Für dieses Forschungsvorhaben hat sie 2020 den «Ambizione Grant» des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) erhalten.

Fünf Nanometer machen den Unterschied

Um die Zwischenschicht und ihre Auswirkungen auf die Materialeigenschaften genau zu verstehen, haben sich Barbara Putz und ihre Doktorandin Johanna Byloff für ein einfaches Modellsystem entschieden: eine 50 Mikrometer dicke Polyimid-Folie, beschichtet mit 150 Nanometer Aluminium. Zwischen dem Metall und dem Kunststoff bringen die Forscherinnen eine nur fünf Nanometer messende Beschichtung aus Aluminiumoxid an. Die Arbeit mit einer so dünnen Zwischenschicht ist fordernd. Um eine saubere Verarbeitung zu gewährleisten, nutzen die Forscherinnen eine Beschichtungsmaschine des Empa-Spin-offs Swiss Cluster AG, das 2020 von Forschenden des Labors «Mechanics of Materials and Nanostructures» gegründet wurde. Das Gerät machen es möglich, mehrere Beschichtungsverfahren hintereinander auf dasselbe Werkstück anzuwenden, ohne es aus der Vakuumkammer zu nehmen.

«Unsere Materialkombination entspricht derjenigen, die für Weltraumanwendungen eingesetzt wird, beispielsweise bei der europäischen Merkur-Sonde BepiColombo oder beim Sonnenschild des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA», sagt Byloff. «Nur bildet sich die Oxid-Zwischenschicht dort auf natürliche Weise, während wir sie gezielt herstellen, wodurch sich die Eigenschaften einstellen lassen.» Das 21 auf 14 Meter messende Sonnenschild des Weltraumteleskops verdeutlicht auch die Ansprüche, die im Weltraum an das Material gestellt werden. Neben den grossen Temperaturunterschieden sind die isolierenden Schichten auch mechanischen Belastungen ausgesetzt. «Zum einen war das Sonnenschild beim Start des Teleskops verstaut und musste sich am Einsatzort entfalten, ohne dass die Schichten reissen oder sich voneinander ablösen», erläutert Byloff. «Zum anderen können Partikel und Weltraummüll die Folie beschädigen. Dabei ist es wichtig, dass die Beschädigungen lokal bleiben, und sich nicht als lange Risse über die ganze Oberfläche ausbreiten.»

Von Satelliten zu medizinischen Sensoren

Ihre Modell-Folie haben die Forscherinnen auf Herz und Nieren untersucht, Dehnungsversuchen und Temperaturschocks unterzogen und chemisch und physikalisch charakterisiert. Das Ergebnis: Die Zwischenschicht macht das Material dehnbarer und deutlich resistenter gegen Risse und Scherkräfte. Als nächstes wollen die Forscherinnen die Dicke der Schicht variieren und sie auf anderen Polymersubstraten anwenden. «Die natürliche Zwischenschicht bildet sich nur auf Polyimid und nur in der Dicke von fünf Nanometern, was ihre Nützlichkeit einschränkt», sagt Barbara Putz. «Wir erwarten, dass unsere künstliche Zwischenschicht Mehrlagensysteme auf anderen Polymeren ermöglicht, die bisher wegen schlechter Anhaftung der Beschichtung gar nicht in Frage kamen.»

Satellitenisolation ist nicht der einzige Bereich, in dem flexible mehrschichtige Systeme gefragt sind. Ein grosses Anwendungsgebiet für ihre Forschung sehen Putz und Byloff auch im Bereich der flexiblen Elektronik, die ebenfalls auf metallbeschichteten Polymersubstraten basiert. Dünnschicht-Komponenten für elektronische Geräte weisen in der Regel mehrere Schichten aus verschiedenen Materialen auf. Aber auch dort liessen die mechanischen Eigenschaften durch den gezielten Einsatz von dünnen Zwischenschichten verbessern. Das könnte etwa falt- oder rollbare Geräte sowie smarte Textilien und anschmiegsame medizinische Sensoren ermöglichen.