Halbleiter-Kristallisation in Schwerelosigkeit: FOTON-M4 vor dem Start

Am 18. Juli 2014 ist um 22:50 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit (MESZ, 00:50 Uhr Ortszeit am 19. Juli) der russische Forschungssatellit FOTON-M4 mit einer Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Baikonur ins All gestartet. FOTON-M4 wird die Erde zwei Monate lang in einer Höhe von fast 600 Kilometern – also noch rund 200 Kilometer höher als die Internationale Raumstation ISS – umkreisen.

Dann, Ende September, soll seine kugelförmige Landekapsel mit den Experimentanlagen und Proben wieder zurückkehren. An Bord sind auch vier deutsche Experimente, deren Mitflug das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ermöglicht hat.

Kontrollierte Kristallisation im All – Keine Elektronik ohne Halbleiter

Wissenschaftler der Universität Freiburg und des Freiburger Materialforschungszentrums wollen in den kommenden Wochen die FOTON-Kapsel für vier Experimente zum Wachstum von Halbleiterkristallen nutzen. Ihr Ziel ist es, Kristalle mit möglichst hoher Qualität zu erzeugen. Dabei verwenden sie für die drei verschiedenen Halbleitermaterialien – Germanium-Gallium, Germanium-Silizium und Cadmium-Zink-Tellur – das gleiche Verfahren wie auf der Erde: Das Ausgangsmaterial wird aufgeschmolzen und anschließend von einer Seite so abgekühlt, dass der neue Kristall von dort aus zu wachsen beginnt.

Was ist also unter Schwerelosigkeit anders? Im Gegensatz zum Labor auf der Erde tritt unter Schwerelosigkeit die schwerkraftbedingte Konvektion in Schmelzen mit Temperaturunterschieden nicht auf. Daher können Wissenschaftler auf FOTON unabhängig davon und ungestört den Vorgang des Kristallwachstums sowie den Einfluss von Magnetfeldern und von Vibrationen studieren, die auf der Erde für die Kontrolle von Strömungen in der Schmelze eingesetzt werden sollen. Die Experimente auf FOTON sollen so helfen, industrielle Prozesse auf der Erde zu verbessern.

"Technischer Fortschritt wird oft erst möglich durch Materialien, die dem neuesten Stand der Forschung entsprechen. Vor allem Zukunftsbranchen wie die Elektronikindustrie hängen stark von den Innovationen ab, die in der Materialforschung erzielt werden. Essentiell für diesen Industriezweig sind die Halbleitermaterialien, ohne die elektronische Bauelemente nicht möglich wären: Solarzellen, Leuchtdioden und Transistoren sind nur einige von vielen Anwendungsfeldern. Nimmt die Leistungskapazität zu, steigen auch die Anforderungen an die Qualität der Halbleiterkristalle", verdeutlicht Maria Roth, zuständig für FOTON im DLR Raumfahrtmanagement, den Hintergrund.

Spezialofen für die Proben auf POLIZON-2

Herzstück der Experimentanlagen ist der russische POLIZON-2-Ofen, in dem die Halbleiter-Proben aufgeschmolzen werden. Rund 100 Kilogramm wiegt die Apparatur. Zu dem Gewicht trägt neben dem eigentlichen Schmelzofen vor allem das Magazin bei, aus dem die insgesamt zwölf Proben nacheinander in den Ofen geschoben und in das sie später wieder zurücktransportiert werden.

Um den Ofen herum gruppieren sich noch weitere sieben technologische und materialwissenschaftliche sowie neun gravitations- und strahlenbiologische Experimentanlagen russischer Wissenschaftler. Drei weitere Experimente zur Strahlenbiologie und eines zur Temperaturmessung sind auf der Außenhaut von FOTON-M4 montiert.

Deutsch-russische Kooperation: Proben der Länge nach halbiert

Ende 2014 sollen im Labor auf der Erde Vergleichsexperimente mit dem POLIZON-2-Flugofen ablaufen, bei denen die realen Flugdaten verwendet werden. Danach werden alle Proben der Länge nach halbiert und sowohl von deutschen als auch russischen Wissenschaftlern mit unterschiedlichen Methoden analysiert.

FOTON-M4 wird vermutlich der letzte in einer Serie von 16 Flügen des FOTON-Programms sein. Ein neues System, bei dem der Satellit für sieben Jahre im Orbit bleiben soll, wird derzeit in Russland untersucht. Dieser Satellit soll in regelmäßigen Abständen zwecks Proben- und Anlagentausch an die Internationale Raumstation ISS andocken. Damit müsste regelmäßig nur die Experimentausrüstung in den Weltraum gebracht werden. Die Startkosten für fast sechs Tonnen Satellitensystem und die Landung fielen dann im gesamten Zeitraum nur einmal an.