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21.02.2018 | Korrosion | Im Fokus | Onlineartikel

Der verflixte Wasserstoff

Autor:
Dieter Beste

Wasserstoff, das erste und leichteste Element im Periodensystem, ist Segen und Fluch zugleich: er kann zur Energiegewinnung genutzt werden, ist zugleich aber auch in Kontakt mit Sauerstoff explosiv und schädigt vor allem hochfeste Stähle.

Um dem Phänomen der Wasserstoffversprödung auf die Spur zu kommen und gleichzeitig Wasserstoff für eine saubere Energiegewinnung nutzbar zu machen, fördert der Europäische Forschungsrat das Projekt "SHINE – Seing Hydrogen In Matter" von Baptiste Gault, Leiter der Gruppe Atomsondentomographie am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), mit zwei Millionen Euro in den nächsten fünf Jahren. Wasserstoff ist janusköpfig: ist einerseits ein sauberer Energierohstoff, andererseits jedoch besonders in Stählen ein gefürchtetes Element, das Korrosion in vielfältiger Weise hervorruft. 

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Korrosion ist die unerwünschte, von der Oberfläche ausgehende chemische, physikalisch-chemische oder elektrochemische Reaktion eines Werkstoffes mit einem umgebenden Medium, die mit einem Schädigungsprozess verbunden ist. In "Werkstoffkunde für Ingenieure" geben Eberhard Roos, Karl Maile, Michael Seidenfuß ab Seite 355 eine systematische Übersicht über diese Grenzflächenreaktionen. In gasförmigen Medien kann demnach Oxidation und Wasserstoffversprödung durch chemisch-physikalische Prozesse auftreten.

Tracking mit der Atomsondentomographie 

Um nun genau festzustellen wo sich Wasserstoffatome in einem Material befinden und wie sie sich fortbewegen und gespeichert werden oder das Material schädigen, nutzt Gault vor allem die Atomsondentomographie. Mithilfe dieser Methode ist es möglich Materialien bis auf ihre atomare Struktur zu untersuchen und somit die Beziehung zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und den Eigenschaften in bisher unzugänglicher Präzision herzustellen. 

Allerdings weist auch diese diagnostische Methode Tücken auf: Bisherige Verfahren, Wasserstoff in Materialien zu erkennen, sind daran gescheitert, dass in den Analysekammern der Atomsonde Restspuren von Gasen vorhanden waren, die nicht vom Untersuchungsmaterial stammten, sondern zum Beispiel durch den Transport des Materials von der Probenvorbereitung zur Atomsonde hinzukamen. Startete man die Analyse, so war es schwierig zu erkennen, welche Wasserstoffatome vom Material selbst und welche von der Analysekammer herrührten, vor allem auch, weil sich die leichten Wasserstoffatome relativ schnell durch ein Material fortbewegen können. 

Abkühlung verhindert Bewegung der Atome im Material

Um diesem Problem zu begegnen, will Gault nun im Zuge des SHINE-Projekts den Weg zwischen der Probenvorbereitung und der tatsächlichen Analyse optimieren. Nach MPIE-Angaben wird dazu eine spezielle Kammer mit flüssigem Stickstoff gefüllt und ein Hochvakuum hergestellt. Der Stickstoff kühlt die Kammer auf rund minus 200 Grad Celsius ab, sodass die Bewegung der Atome im Material verhindert wird. Das Hochvakuum garantiert zudem, dass keine Fremdatome in das Material eindringen. Derart präpariert und in Kombination mit Computersimulationen werde es möglich sein, die Wasserstoffatome im Material genauestens aufzuspüren und ihr Verhalten abzuschätzen. Und auf Grundlage dieser Vorhersagen werde es möglich, Strategien zu entwickeln, um Wasserstoffversprödung in Konstruktionswerkstoffen zu verhindern und zugleich Wasserstoff für die Energiegewinnung und -speicherung nutzbar zu machen.

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