Mechanism of Mold-Induced Degradation of Silicone Rubber Under Microgravity in Space Environment

In den versiegelten, klimakontrollierten Kabinen einer Raumstation findet ein stiller Kampf zwischen menschlicher Technologie und dem mikroskopischen Leben statt, das unweigerlich mit uns reist. Silikonkautschuk, ein Material, das für seine Flexibilität und seine Fähigkeit geschätzt wird, extremen Temperaturen standzuhalten, dient als das entscheidende Dichtungsmittel, das die Luft im Inneren hält und das Vakuum des Weltraums draußen lässt. Er ist der unbesungene Held, der Lebenserhaltungssysteme und elektrische Komponenten zusammenhält. Dieses Material ist jedoch nicht immun gegen die winzigen Pilze, die sich als blinde Passagiere an Astronauten und Ausrüstung festsetzen. In der warmen, feuchten und nährstoffreichen Umgebung eines Raumfahrzeugs können sich diese Pilze auf Gummioberflächen niederlassen und sich von den organischen Additiven ernähren, die während der Herstellung zurückgelassen wurden. Die Frage für Ingenieure war lange Zeit, ob die besonderen Bedingungen des Weltraums – insbesondere die Abwesenheit von Schwerkraft – die Art und Weise verändern würden, wie diese Organismen ihren Wirt angreifen. Würde die schwebende, schwerelose Umgebung den Kautschuk anfälliger machen, oder würde sie das Material irgendwie schützen, indem sie die Fähigkeit der Pilze zum Wachstum stört?

Um dies zu beantworten, führten Forscher des chinesischen Raumfahrtprogramms und verschiedener Universitäten einen direkten Vergleich durch, indem sie Proben aus Silikonkautschuk an Bord des Shenzhou-Raumschiffs in den Orbit schickten, während identische Proben auf der Erde verblieben. Sie inokulierten beide Probensätze mit einem verbreiteten Schimmelpilz namens Aspergillus brasiliensis, einem Pilz, der häufig in Boden und verrottendem Pflanzenmaterial vorkommt. Die Weltraumproben verbrachten neunzig Tage in der echten Mikrogravitation der chinesischen Raumstation, während die Bodenproben in einer kontrollierten Laborumgebung wuchsen, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Station nachahmte. Durch die Rückführung der Weltraumproben zur Erde und deren Analyse neben ihren terrestrischen Zwillingen konnte das Team genau beobachten, wie die Abwesenheit von Schwerkraft das Verhalten des Schimmels und den daraus resultierenden Schaden am Kautschuk beeinflusste.

Die Ergebnisse zeigten einen überraschenden Unterschied im Verhalten des Schimmels in den beiden Umgebungen. Auf der Erde gedieh der Schimmel prächtig. Die Sporen, die winzigen Fortpflanzungseinheiten des Pilzes, setzten sich massiv auf der Gummioberfläche ab und bildeten dichte Cluster. Während sie wuchsen, sondern sie eine beträchtliche Menge organischer Säuren ab, darunter eine spezifische Art namens Buttersäure. Diese Säuren wirkten wie ein chemisches Lösungsmittel, drangen in den Kautschuk ein und zersetzten dessen interne Struktur. Die Forscher fanden heraus, dass die Gesamtmenge der durch den bodengebundenen Schimmel produzierten Säure zehnmal höher war als die des Schimmels im Weltraum. Dieser chemische Angriff führte zu sichtbaren Schäden: Die Gummioberfläche wurde rau, zerklüftet und schuppig, verlor ihr glattes Finish und entscheidend auch ihre Fähigkeit, den Stromfluss zu widerstehen. Die Isolationseigenschaften des Materials sanken von etwa 600 kΩ·cm auf etwa 330 kΩ·cm, eine Reduktion von fast 50 %, ein Zeichen dafür, dass seine internen Molekülketten schwerwiegend beeinträchtigt worden waren.

Im Gegensatz dazu hatte der Schimmel im Weltraum Mühe, Fuß zu fassen. Ohne die Schwerkraft, die die Sporen nach unten zieht und sie auf der Oberfläche hält, verhielt sich die Flüssigkeit, die die Sporen enthielt, anders und wurde primlich durch die Oberflächenspannung gesteuert. Dies führte dazu, dass sich die Sporen nur an den Rändern der Flüssigkeitstropfen sammelten, anstatt sich gleichmäßig über den Kautschuk zu verteilen. Folglich blieb der Schimmel im Weltraum spärlich und weitgehend inaktiv. Er produzierte nur sehr wenig der schädlichen organischen Säuren, und die Gummioberfläche blieb weitgehend intakt. Es gab zwar einige kleinere Risse, wo die Flüssigkeit getrocknet war, aber das Material litt nicht unter der weit verbreiteten Erosion, wie sie auf der Erde beobachtet wurde. Die Forscher bestätigten dies durch die Untersuchung des Kautschuks unter leistungsstarken Mikroskopen und die Verwendung von Licht, um chemische Veränderungen zu detektieren; die Weltraumproben zeigten weitahe keine Anzeichen des molekularen Abbaus, der den Pilzzerfall charakterisiert.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Mikrogravitationsumgebung den Degradationsprozess signifikant verändert und zu weniger Materialschäden führt als unter Bedingungen auf der Erde. Das Fehlen der Schwerkraft verhindert, dass der Schimmel die dichten, säureproduzierenden Kolonien bildet, die auf der Erde so zerstörerisch sind. Anstelle einer gleichmäßigen Schicht des Verfalls führt die Umgebung im Weltraum zu einer fleckigen, schwachen Kolonisierung, die das Material mit einem geringeren Grad an Degradation hinterlässt. Diese Erkenntnis ist entscheidend für die Zukunft der Langzeitraumflüge, da sie darauf hindeutet, dass Silikonkautschuk-Dichtungen in der Umlaufbahn weniger biologischem Verschleiß ausgesetzt sein könnten als auf der Erde. Sie liefert den Ingenieuren ein klareres Bild davon, wie Materialien im Weltraum altern, was es ermöglicht, bessere Schutzstrategien zu entwickeln und sicherzustellen, dass die kritischen Dichtungen, die die Astronauten schützen, über Jahre hinweg zuverlässig bleiben.