Dominik Perius

Florian Schäfer (links) und sein Kollege Patrick Grünewald mit einem Hochtemperaturprüfsystem am Rasterkraftmikroskop.

Materialforschung

Ingenieure wollen Materialien für die Wasserstofftechnologie fit machen

Damit Wasserstoff in großem Maßstab als Energieträger genutzt werden kann, muss er sicher gelagert und transportiert werden können. Allerdings sind Wasserstoff-Atome hochreaktiv und schädigen viele Materialien, beispielsweise Metalle: Diese werden spröde, können Risse bilden und sind weniger langlebig. Welche Prozesse dabei in den Materialien ablaufen und wie die Schäden minimiert werden können, will eine neue Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes herausfinden.
Von Gerhild Sieber • 18.06.2020

Wasserstoff gilt als großer Hoffnungsträger im Hinblick auf die Energiewende und den Klimaschutz. Um die Erzeugung, den Transport und die Nutzung von Wasserstoff voranzubringen, hat die Bundesregierung kürzlich im Rahmen des Konjunkturpaketes die Nationale Wasserstoffstrategie auf den Weg gebracht. Doch bevor die Wasserstoffwirtschaft effizient funktionieren kann, sind noch viele ungeklärte Fragen zu lösen. Ein Problem steht dabei für den Materialwissenschaftler Florian Schäfer an oberster Stelle: das aggressive Verhalten von Wasserstoff gegenüber fast allen Materialien. Schäfer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Christian Motz am Lehrstuhl für Experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften – und baut derzeit eine Arbeitsgruppe auf, die sich dieser besonderen Eigenschaft des Wasserstoffs widmen will. „Wir wissen, dass viele Materialien extrem unter Wasserstoff leiden.“ 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.“ Mit seiner Arbeitsgruppe will der Ingenieur nun herausfinden, welche Materialien geschädigt werden – und warum.

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. Prominentes Beispiel ist die East Oakland Bay Bridge in San Francisco, wo durch einen Fertigungsfehler Wasserstoff in Verbindungsbolzen gelangte und die Nachbesserung hohe Kosten verursachte.

Wir wollen dazu beitragen, Materialien widerstandsfähiger gegenüber dem Wasserstoffangriff zu machen.

Obwohl schon seit mehr als einem Jahrhundert an der Wasserstoffversprödung geforscht werde, 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: „Im Rasterelektronenmikroskop prüfen wir etwa zehn Mikrometer große Proben. Das ist insofern neu und einzigartig, als man während des Versuchs beobachten kann, was mit der Mikroprobe passiert.“ 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.

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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