Experimente an Bord von FOTON M4

Kristalle züchten im Weltraum

Am Freitag, 18. Juli 2014 um circa 22.50 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit soll die unbemannte FOTON-M4-Kapsel auf einer Sojus-Rakete vom russischen Weltraumbahnhof Baikonur in den Weltraum starten. An der zweimonatigen Mission sind die Kristallographie und das Freiburger Materialforschungszentrum der Albert-Ludwigs-Universität um Prof. Dr. Arne Cröll und Prof. Dr. Michael Fiederle mit insgesamt fünf Experimenten beteiligt. Die Versuche werden vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumagentur ESA gefördert.

Die Freiburger Forscher züchten im Weltraum unter anderem Germaniumkristalle (Bild unten: auf der Erde gezüchtetes Exemplar) – beispielsweise in Ampullen für Experimente mit Vibration (Bild oben). (Bilder: Kristallographie Universität Freiburg)

Die Kristallographie an der Universität Freiburg nimmt seit 31 Jahren an Experimenten unter Mikrogravitation, also im Zustand annähernder Schwerelosigkeit, teil - etwa bei Spacelab-Missionen, mit unbemannten Kapseln und bei ballistischen Raketenexperimenten. Die Forscherinnen und Forscher wollen zum einen Transportvorgänge von Stoffen in Schmelzen, Lösungen oder Gasen messen. Zum anderen untersuchen sie, warum Baufehler bei der Züchtung technisch interessanter Kristalle entstehen.

Die Materialien sind beispielsweise für elektronische Bauelemente und Röntgendetektoren einsetzbar. Da Einflüsse der Schwerkraft weitgehend ausgeschlossen sind, ermöglichen die Versuche genauere Aussagen zu den Vorgängen bei der Kristallzüchtung. Ziel ist, die Züchtungsmethoden auf der Erde zu verbessern. Seit 1983 ist dies die 18. Weltraummission, an der die Freiburger Kristallographie beteiligt ist.

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Die Experimente an Bord von FOTON M4 setzen eine Versuchsreihe auf der FOTON-M3-Mission fort, die vor sieben Jahren startete. Bei den neuen Experimenten züchten die Forscher unterschiedliche Halbleiterkristalle wie Germanium, Germanium-Silicium und Cadmiumtellurid. An der Planung und Auswertung der Versuche sind russische, italienische, spanische und französische Kolleginnen und Kollegen beteiligt.

Die Experimente haben unterschiedliche Ziele. Ein Versuch von Arne Cröll untersucht die wandfreie Züchtung eines Germanium-Silicium-Mischkristalls: Der Kristall und ein kleiner Teil der Schmelze haben keinen Kontakt zum umgebenden Tiegel. Auf diese Art gezüchtete Kristalle haben geringere Baufehlerkonzentrationen. Die fehlende Schwerkraft fördert das Phänomen.

Drei weitere Experimente von Cröll untersuchen den Transport von Gallium in Germaniumschmelzen unter verschiedenen Strömungsbedingungen, die zum Beispiel durch Magnetfelder oder Vibration angetrieben werden. Im Unterschied zu Versuchen auf der Erde ist es unter Mikrogravitation möglich, die Strömungen ungestört von anderen Einflüssen zu beobachten. Die gleichmäßige Verteilung von Dotierstoffen wie Gallium ist wichtig bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen.

Michael Fiederle züchtet in seinem Experiment Cadmiumtellurid-Kristalle, die unter anderem in der Computertomographie zum Einsatz kommen. Er untersucht die Vorgänge der Kristallisation und der Diffusion von Dotier- und Fremdstoffen unter Schwerelosigkeit. Mit seinen Versuchen will er Möglichkeiten finden, um die Wachstumsgeschwindigkeit und Homogenität der Kristalle zu steigern und auf dieser Basis neue Verfahren für die industrielle Produktion zu realisieren.

Kontakt:
Prof. Dr. Arne Cröll
Kristallographie
Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
E-Mail: arne.croell@krist.uni-freiburg.de

Prof. Dr. Michael Fiederle
Freiburger Materialforschungszentrum
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
E-Mail: michael.fiederle@fmf.uni-freiburg.de

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