Metallo amorfo in orbita: la ISS misura i dati che servono alla stampa 3D
Dal 31 agosto al 4 settembre 2026 un gruppo di ricercatori dell’Università del Saarland, in Germania, utilizzerà la Stazione Spaziale Internazionale per studiare il comportamento di particolari leghe metalliche allo stato liquido. L’obiettivo non è produrre componenti nello spazio, ma ottenere dati fisici difficili da misurare con sufficiente precisione sulla Terra. Questi valori potranno servire anche per progettare leghe e processi destinati alla produzione additiva di componenti in vetro metallico.
Il gruppo è guidato dal professor Ralf Busch, docente di materiali metallici all’Università del Saarland. Al progetto partecipano l’Agenzia Spaziale Europea, ESA, il Centro Aerospaziale Tedesco, DLR, l’Università di Münster e la Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, che sostiene finanziariamente la ricerca. Gli esperimenti verranno condotti utilizzando l’Electromagnetic Levitator, EML, installato nel laboratorio europeo Columbus della ISS.
L’infrastruttura EML è stata sviluppata congiuntamente da ESA e DLR. La parte industriale della sua progettazione, assemblaggio e collaudo è stata guidata da Airbus Defence and Space, l’azienda del gruppo Airbus specializzata nei settori spaziale e della difesa.
Che cosa sono i vetri metallici
Il termine “vetro metallico” può creare qualche equivoco, perché questi materiali non hanno l’aspetto o la fragilità tipicamente associati al vetro di una finestra. Sono vere leghe metalliche, ma possiedono una struttura atomica diversa da quella dei metalli convenzionali.
In un metallo cristallino gli atomi sono organizzati secondo strutture geometriche ordinate che si ripetono nello spazio. Nei vetri metallici questo ordinamento a lungo raggio non si forma. Gli atomi rimangono distribuiti in una configurazione disordinata, detta amorfa, analoga dal punto di vista strutturale a quella presente nei vetri tradizionali.
Per ottenere questa condizione bisogna evitare che, durante il raffreddamento del metallo liquido, gli atomi abbiano il tempo necessario per organizzarsi in cristalli. Le prime leghe amorfe richiedevano velocità di raffreddamento molto elevate e potevano quindi essere prodotte soltanto sotto forma di nastri, fili o strati estremamente sottili.
Lo sviluppo dei cosiddetti Bulk Metallic Glasses, o BMG, ha modificato questo limite. Attraverso composizioni chimiche opportunamente progettate è possibile rallentare la cristallizzazione e ottenere sezioni di materiale amorfo molto più grandi.
Il problema resta comunque delicato: composizione chimica, temperatura, viscosità della massa fusa, velocità di raffreddamento e tempo trascorso nelle diverse regioni termiche devono essere controllati con precisione.
Perché interessano alla produzione industriale
L’assenza della struttura cristallina conferisce ai vetri metallici una combinazione particolare di proprietà. Possono raggiungere valori elevati di resistenza e durezza, possiedono una notevole deformazione elastica e alcune formulazioni offrono buone caratteristiche di resistenza all’usura e alla corrosione.
Esiste però anche un aspetto che ne complica l’impiego strutturale: a temperatura ambiente molti vetri metallici hanno una capacità di deformazione plastica inferiore a quella dei metalli cristallini e la presenza di difetti può favorire rotture premature. La qualità del materiale e del processo produttivo diventa quindi determinante.
Un’altra proprietà di grande interesse emerge portando il materiale nella regione di liquido sottoraffreddato, tra la transizione vetrosa e l’inizio della cristallizzazione. In questa finestra di temperatura alcuni vetri metallici possono essere deformati con tecniche che ricordano la lavorazione dei materiali termoplastici.
È proprio questa combinazione tra comportamento metallico e capacità di essere formato che rende interessante il rapporto tra vetri metallici e produzione additiva.
Il rapporto con la stampa 3D metallica
Una delle tecnologie più studiate per produrre componenti in vetro metallico è il Laser Powder Bed Fusion, LPBF. Il processo parte da un letto di polvere metallica. Un laser fonde selettivamente piccole aree della polvere seguendo la geometria definita dal modello digitale; una volta completato uno strato, viene distribuita nuova polvere e il procedimento viene ripetuto.
Il vantaggio per i vetri metallici è legato alle elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento generate nel piccolo bagno di fusione. In condizioni adatte, il materiale può solidificare prima che si formino quantità significative di cristalli.
Ma la stessa caratteristica che rende possibile il processo genera anche uno dei principali problemi tecnologici. Ogni nuova traccia laser riscalda una zona già costruita e gli strati possono attraversare più volte intervalli di temperatura nei quali la cristallizzazione diventa possibile.
Potenza del laser, velocità di scansione, distanza tra le tracce, spessore degli strati, strategia di scansione e caratteristiche termiche della lega devono quindi essere coordinati.
Una quantità eccessiva di energia può aumentare la cristallizzazione o provocare altri difetti. Una quantità insufficiente può lasciare porosità e particelle non completamente fuse. La finestra di processo può essere più stretta rispetto a quella di leghe metalliche convenzionali.
Per questo conoscere con precisione il comportamento del materiale liquido non è un esercizio puramente teorico.
Perché servono viscosità e tensione superficiale
Durante un processo LPBF il laser genera un minuscolo bagno di metallo fuso che esiste per una frazione di secondo. All’interno di questa zona avvengono flussi, variazioni di temperatura, evaporazione, fusione e solidificazione.
La viscosità indica quanto facilmente il liquido può scorrere. La tensione superficiale influenza la forma e la stabilità della superficie libera del bagno fuso e partecipa ai fenomeni che determinano il movimento del materiale.
Se i valori utilizzati nei modelli numerici sono poco accurati, anche la simulazione del processo rischia di esserlo. Questo rende più difficile prevedere il comportamento della lega e obbliga a cercare i parametri di stampa attraverso un numero maggiore di prove sperimentali.
La capacità termica è altrettanto importante perché determina quanta energia deve essere fornita al materiale per modificarne la temperatura. Il comportamento durante il sottoraffreddamento permette invece di comprendere quanto una lega possa essere portata sotto la propria temperatura di fusione senza iniziare immediatamente a cristallizzare.
Per una lega destinata a rimanere amorfa dopo la stampa, quest’ultimo elemento è essenziale.
Nickel, niobio e una piccola quantità di zolfo
Gli esperimenti programmati sulla ISS riguarderanno leghe nickel-niobio e nickel-niobio-zolfo.
I sistemi nickel-niobio sono studiati come formatori di vetro metallico dalla seconda metà degli anni Sessanta. Il gruppo di Ralf Busch ha lavorato anche sull’effetto prodotto dall’aggiunta di piccole quantità di zolfo.
Studi sperimentali hanno mostrato che l’aggiunta controllata di zolfo può modificare la capacità della lega di evitare la cristallizzazione. In particolare, una composizione studiata dal gruppo, Ni58Nb39S3 in percentuale atomica, ha mostrato una migliore capacità di formazione del vetro rispetto al sistema binario di riferimento.
Il punto interessante è che non basta aggiungere una quantità crescente di zolfo. Esiste un intervallo compositivo favorevole: superandolo, la capacità di formare il vetro può diminuire.
Questo comportamento mostra quanto sia complessa la progettazione di un vetro metallico. Una variazione di pochi punti percentuali atomici può modificare struttura del liquido, mobilità degli atomi, nucleazione dei cristalli e caratteristiche finali della lega.
Perché portare il metallo sulla ISS
Sulla Terra è già possibile far levitare elettromagneticamente una piccola sfera di metallo fuso evitando il contatto con un crogiolo. Il problema è che bisogna applicare forze sufficienti a contrastare il peso del campione.
Questi campi possono generare movimenti nel liquido e introdurre effetti che rendono più difficile isolare le proprietà che si desiderano misurare.
Sulla Stazione Spaziale Internazionale la situazione è diversa. La ISS e tutto ciò che contiene si trovano in una condizione continua di caduta libera intorno alla Terra. Non significa che a circa 400 chilometri di quota la gravità sia scomparsa: è il moto orbitale a produrre la condizione di microgravità percepita all’interno della stazione.
Per mantenere in posizione una goccia di metallo fuso servono quindi forze molto inferiori rispetto a quelle necessarie in laboratorio sulla Terra.
Il risultato è un ambiente particolarmente adatto alla misura delle proprietà termofisiche dei metalli liquidi.
Un forno che non ha bisogno del crogiolo
L’Electromagnetic Levitator utilizza campi elettromagnetici per mantenere sospeso e riscaldare un campione metallico conduttore. Il materiale può essere portato allo stato liquido senza toccare le pareti di un contenitore.
Il principio è importante soprattutto per leghe molto reattive. Un metallo liquido a temperature superiori a mille gradi può interagire chimicamente con il materiale del crogiolo, contaminando il campione e alterando i risultati.
Nell’esperimento dell’Università del Saarland le piccole sfere di lega verranno portate fino a circa 1.700 °C. L’EML è progettato per lavorare anche a temperature superiori.
L’apparecchiatura venne trasportata sulla ISS nel 2014 e installata nel modulo Columbus dall’astronauta dell’ESA Alexander Gerst. La struttura è stata sviluppata da ESA e DLR con il contributo dell’industria europea guidata da Airbus Defence and Space.
Dal centro di controllo DLR di Colonia è possibile seguire le immagini provenienti dalla ISS e modificare i parametri dell’esperimento mentre la prova è in corso.
Per il gruppo di Saarbrücken questa possibilità consentirà di intervenire sulla levitazione e sulle condizioni del campione durante le misurazioni.
Dai 22 secondi dei voli parabolici ai 45 minuti della ISS
Il lavoro preparatorio non è iniziato nello spazio. Il gruppo ha già studiato queste leghe attraverso esperimenti terrestri di levitazione elettromagnetica ed elettrostatica presso il DLR di Colonia.
Al Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY, i ricercatori hanno utilizzato radiazione X per osservare il comportamento delle gocce metalliche.
Lucas Ruschel, già dottorando di Ralf Busch, ha inoltre partecipato a campagne di volo parabolico. Durante ogni parabola l’aereo permette di ottenere circa 22 secondi di microgravità.
È un intervallo sufficiente per alcune misure, ma molto breve per esperimenti nei quali bisogna portare un campione alla temperatura desiderata, stabilizzarlo, farlo oscillare, osservare il suo comportamento e analizzarne il successivo raffreddamento.
Sulla ISS Lucas Eisenhut, dottorando del gruppo di Busch, e Fan Yang potranno invece lavorare con cicli sperimentali che possono arrivare a circa 45 minuti. Nell’arco delle giornate dedicate alla campagna saranno disponibili diverse ore complessive di misurazioni in microgravità.
Come si misurano le proprietà di una goccia sospesa
La forma stessa della goccia diventa uno strumento di misura.
Facendo oscillare in modo controllato il campione liquido e osservando la frequenza e lo smorzamento delle oscillazioni è possibile ricavare informazioni sulla tensione superficiale e sulla viscosità.
Altre sequenze sperimentali permettono di determinare la capacità termica e di seguire il raffreddamento del liquido fino all’inizio della solidificazione.
Telecamere ad alta velocità possono osservare il processo e registrare fenomeni che durano intervalli temporali molto brevi. L’EML dispone inoltre di sistemi dedicati alla misura di ulteriori proprietà del materiale e all’analisi del processo di solidificazione.
È quindi una sorta di laboratorio di fisica dei metalli liquidi in cui il campione viene studiato senza essere appoggiato su una superficie.
Dai dati sperimentali ai modelli di stampa
Uno degli effetti più interessanti della ricerca potrebbe manifestarsi sulla Terra attraverso modelli numerici più affidabili.
La produzione additiva metallica viene sempre più affiancata da simulazioni che cercano di prevedere distribuzione della temperatura, dimensione e forma del bagno di fusione, velocità di raffreddamento e formazione della microstruttura.
Per i vetri metallici occorre aggiungere un ulteriore livello: bisogna prevedere anche la probabilità di nucleazione e crescita dei cristalli.
Per costruire questi modelli servono proprietà termofisiche affidabili. Viscosità, tensione superficiale e capacità termica non sono numeri accessori: contribuiscono direttamente alle equazioni utilizzate per descrivere il comportamento della massa fusa.
Misure migliori possono quindi ridurre l’incertezza dei modelli e rendere più razionale la ricerca della finestra di processo adatta a una nuova lega.
Non significa che i dati ottenuti sulla ISS permetteranno automaticamente di stampare qualsiasi vetro metallico. Significa però che forniranno una base sperimentale più solida per progettare composizioni e parametri di lavorazione.
Un problema di progettazione della lega prima ancora che della stampante
Uno degli aspetti più significativi del lavoro di Ralf Busch è proprio l’idea di progettare il materiale insieme al processo produttivo.
Nella metallurgia convenzionale si parte spesso da una lega già definita e si cerca il sistema migliore per lavorarla. Nel caso dei vetri metallici prodotti mediante stampa 3D può essere vantaggioso fare anche il percorso inverso: modificare la composizione della lega affinché sopporti meglio i cicli termici caratteristici della produzione additiva.
Una lega con maggiore capacità di formazione del vetro concede al processo una finestra temporale e termica più ampia prima dell’inizio della cristallizzazione. Ciò può rendere più semplice ottenere pezzi completamente amorfi anche in geometrie complesse.
La ricerca sul sistema nickel-niobio-zolfo rientra in questa logica: comprendere come piccoli cambiamenti nella composizione modificano il liquido significa poter progettare materiali più adatti ai metodi di produzione che dovranno trasformarli.
Dopo nickel e niobio arriveranno altre leghe
La campagna programmata tra il 31 agosto e il 4 settembre non dovrebbe essere l’ultimo esperimento del gruppo di Saarbrücken sulla ISS.
Il team sta preparando campioni di altre famiglie di vetro metallico, tra cui leghe palladio-nickel-fosforo, destinate a una successiva campagna sperimentale.
La continuità delle prove è importante perché i vetri metallici non costituiscono una singola classe dalle proprietà uniformi. Cambiando gli elementi e le loro concentrazioni cambiano temperature caratteristiche, viscosità, stabilità del liquido sottoraffreddato, tendenza alla cristallizzazione e prestazioni meccaniche.
Confrontare famiglie differenti in condizioni sperimentali controllate può contribuire alla costruzione di modelli più generali.
Dallo spazio alle fabbriche
Le possibili applicazioni indicate dai ricercatori comprendono componenti per aerospazio, meccanica, dispositivi medicali ed elementi sottoposti a elevate sollecitazioni.
Un altro settore studiato dall’Università del Saarland è quello dei motori elettrici, dove leghe amorfe con proprietà magnetiche adeguate possono ridurre alcune perdite energetiche. Anche in questo caso la produzione additiva potrebbe consentire geometrie difficili da ottenere attraverso i metodi convenzionali.
La prospettiva industriale, tuttavia, dipende dalla capacità di produrre componenti ripetibili, sufficientemente grandi, privi di porosità critiche e con una frazione cristallina controllata.
Per arrivarci occorre comprendere ciò che accade nella fase più breve e meno visibile del processo: il momento in cui la polvere diventa una minuscola pozza di metallo liquido e, pochi istanti dopo, torna solida.
È proprio quella fase che gli esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale cercano di descrivere con maggiore precisione. Una goccia di lega sospesa nel modulo Columbus può quindi fornire dati utili non soltanto alla scienza dei materiali, ma anche alla progettazione delle future tecnologie di stampa 3D dei metalli amorfi.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
