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Werkstoffe Materialien für die Wasserstofftechnologie fit machen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Um ihn nutzbar zu machen, muss er sicher gelagert und transportiert werden können. Allerdings sind Wasserstoff-Atome hochreaktiv und schädigen viele Materialien. Wie diese Schäden minimiert werden können, daran forschen Ingenieure der Universität des Saarlandes.

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Der Materialwissenschaftler Florian Schäfer (links) und sein Kollege Patrick Grünewald mit einem Hochtemperaturprüfsystem am Rasterkraftmikroskop.
Der Materialwissenschaftler Florian Schäfer (links) und sein Kollege Patrick Grünewald mit einem Hochtemperaturprüfsystem am Rasterkraftmikroskop.
(Bild: Universität des Saarlandes)

Wasserstoff gilt als großer Hoffnungsträger im Hinblick auf die Energiewende und den Klimaschutz. Doch bevor die Wasserstoffwirtschaft effizient funktionieren kann, sind noch viele ungeklärte Fragen zu lösen.

Eines der größten Probleme ist das aggressive Verhalten von Wasserstoff gegenüber fast allen Materialien. Reagieren Wasserstoff-Atome beispielsweise mit Metallen, werden diese spröde, können Risse bilden und sind weniger langlebig. Die Ursache: Wasserstoffatome sind so klein, dass sie im Atomgitter der meisten Materialien umherwandern können – je nach Material unterschiedlich schnell. „Das geschieht zwar nur in kleinen Mengen, die Auswirkungen auf das Materialverhalten können aber beträchtlich sein“,weiß Florian Schäfer, wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Christian Motz am Lehrstuhl für Experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes. Hier baut Schäfer derzeit eine Arbeitsgruppe auf, um herausfinden, welche Materialien geschädigt werden – und warum.

Starke Versprödung bei Stählen

In seiner Promotion hat Florian Schäfer die Grundlagen plastischer Verformung von Metallen untersucht – und weiß: „Bei Stählen verursacht Wasserstoff eine starke Versprödung, sie sind dann viel weniger biegsam und weniger belastbar. Zudem kann Wasserstoff die Rissbildung fördern.“

Dabei interagieren die Wasserstoff-Atome insbesondere mit Defekten im Material. „Das gilt beispielsweise für hochfeste Stähle für den Leichtbau, wie man sie im Auto verwendet, oder für Nickel- und Kupferverbindungen.“ Korrosive Angriffe entstünden häufig auch im Offshore-Bereich. So gelangte beispielsweise beispielsweise bei der East Oakland Bay Bridge in San Francisco durch einen Fertigungsfehler Wasserstoff in Verbindungsbolzen. Die Nachbesserung verursachte damit hohe Kosten.

Genauen Vorgänge im Material bis zur Nanoskala sichtbar

An der Wasserstoffversprödung wird schon seit mehr als einem Jahrhundert geforscht. Trotzdem seien die hochkomplexen Prozesse, die zu frühzeitigem Materialversagen führen, nur in Ansätzen verstanden, meint Florian Schäfer.

Die Saarbrücker Wissenschaftler wollen daher die genauen Vorgänge in den Materialien auf der Mikroskala erforschen: Dazu prüfen die Wissenschaftler im Rasterelektronenmikroskop etwa 10 µm große Proben. „Das ist insofern neu und einzigartig, als man während des Versuchs beobachten kann, was mit der Mikroprobe passiert“, erklärt Schäfer.

Zusätzlich wird ein Wasserstoff-Plasma (ionisiertes Wasserstoff-Gas) in die Vakuum-Kammer des Mikroskops geleitet. Danach werden alle üblichen Verfahren der mechanischen Werkstoffprüfung durchgeführt, beispielsweise die Messung von Ermüdungsrissen, des Verformungsverhaltens oder die Härteprüfung. „Indem wir die Experimente einmal mit Wasserstoff und einmal ohne Wasserstoff durchführen, werden die Effekte bis hinunter zur Nanoskala sichtbar“, erklärt Schäfer.

Geschwindigkeit von Wasserstoff im Material verringern

Darüber hinaus wollen die Materialwissenschaftler mithilfe modernster Rasterkraftmikroskopie die Wasserstoffgeschwindigkeit im Material messen. Patrick Grünewald, Doktorand im Team, will außerdem untersuchen, an welchen Stellen der Mikrostruktur des Materials sich die Atome absetzen; sein Projekt wird er von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit rund 500.000 Euro gefördert. Aus den Untersuchungsergebnissen wollen die Forscher ableiten, wie man die Geschwindigkeit des Wasserstoffs im Material verringern kann – und klären, warum sich die Atome an bestimmten Stellen ansammeln und was sie dort genau tun. „Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, die Materialauswahl für die Wasserstoffspeicherung zu verbessern und Materialien widerstandsfähiger gegenüber dem Wasserstoffangriff zu machen“, erklärt Florian Schäfer.

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