Forschung zu Wasserstoffversprödung

Wasserstoff, das erste und leichteste Element im Periodensystem, ist Segen und Fluch zugleich: er kann zur Energiegewinnung genutzt werden, ist gleichzeitig aber auch in Kontakt mit Sauerstoff explosiv und schädigt Jahr für Jahr vor allem höchstfeste Materialien, die in der Automobil-, Luftfahrt-, Chemie- sowie Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden. Um diesem 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“ von Dr. Baptiste Gault, Leiter der Gruppe Atomsondentomographie am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), mit zwei Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre.

Um genau festzustellen wo sich Wasserstoffatome in einem Material befinden und wie sie sich fortbewegen und gespeichert werden oder das Materialien schädigen, wird Gault vor allem die sogenannte Atomsondentomographie nutzen. Mit Hilfe 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. Bisherige Verfahren Wasserstoff in Materialien zu erkennen sind allerdings daran gescheitert, dass in den Analysekammern der Atomsonde Restspuren von Gasen vorhanden waren, die nicht vom Untersuchungsmaterial stammen, sondern zum Beispiel durch den Transport des Materials von der Probenvorbereitung zur Atomsonde hinzugekommen sind.

Startete man die Analyse, so war es schwierig zu erkennen, welche Wasserstoffatome vom Material selbst und welche von der Analysekammer herrühren, vor allem auch weil sich die leichten Wasserstoffatome relativ schnell durch ein Material fortbewegen können. Um diesem Problem zu begegnen, wird Gault den Weg zwischen der Probenvorbereitung und der tatsächlichen Analyse optimieren. Eine spezielle Kammer wird mit flüssigem Stickstoff gefüllt und ein Hochvakuum wird hergestellt. Der Stickstoff kühlt die Kammer auf ca. -200°C 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 der Abteilung für Computergestütztes Materialdesign, wird es möglich sein, die Wasserstoffatome im Material genauestens aufzuspüren und ihr Verhalten abzuschätzen. Diese Vorhersagen ermöglichen es Strategien zu entwickeln, um Wasserstoffversprödung in Konstruktionswerkstoffen zu verhindern und gleichzeitig Wasserstoff für die Energiegewinnung und –speicherung nutzbar zu machen.     

Quelle: MPIE  Artikelfoto: Der Max-Planck-Wissenschaftler Dr. Baptiste Gault wird hochmoderne Analysemethoden, wie die Atomsondentomographie im Bild) nutzen. (Foto: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH)