Wasserstoffversprödung: Superlegierungen anfälliger für Wasserstoff als vermutet

Neue Erkenntnisse zur Materialstabilität bei Wasserstoffnutzung

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger gilt als zentraler Baustein für eine klimaneutrale Zukunft. Besonders in der Luftfahrt und bei der Energieerzeugung mittels Gasturbinen wird intensiv an der direkten Verbrennung des Gases gearbeitet. Um den extremen thermischen und mechanischen Belastungen in diesen Systemen standzuhalten, setzen Ingenieure auf sogenannte Superlegierungen – meist auf Nickelbasis –, die durch die Zugabe von Carbiden ihre notwendige Härte und Festigkeit erhalten.

Ein internationales Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien in Düsseldorf sowie Partnern aus China, hat nun jedoch eine bisher unbekannte Schwachstelle in diesen Hochleistungswerkstoffen identifiziert. Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift *Nature Materials* publiziert wurden, könnten die Planung zukünftiger Triebwerks- und Turbinengenerationen maßgeblich beeinflussen.

Das Problem der Wasserstoffversprödung

Grundsätzlich ist das Phänomen der Wasserstoffversprödung in der Materialwissenschaft bekannt. Da Wasserstoffmoleküle extrem klein sind, können sie in das Metallgitter eindringen und sich dort einlagern. Dies führt schleichend zu einer Reduktion der Festigkeit, wodurch das Material unter Last spröde wird und vorzeitig brechen kann. Bisher galten Superlegierungen als robust genug, um diesen Prozess zu verhindern, insbesondere da Versuche bei Raumtemperatur keine nennenswerten Schäden aufzeigten.

Die kritische 400-Grad-Marke

Die Annahme, dass hohe Temperaturen das Risiko einer Wasserstoffeinlagerung generell senken, hat sich durch die neuen Untersuchungen als teilweise trügerisch erwiesen. Während das Material bei extremen Temperaturen zwischen 600 und 1.000 °C stabil blieb, zeigte sich bei 400 °C ein unerwarteter Effekt. Unter einem Druck von 2 Megapascal begannen Wasserstoffmoleküle, sich an den Fehlstellen der im Material enthaltenen Carbide anzusammeln.

An diesen Stellen reagiert der Wasserstoff mit dem vorhandenen Kohlenstoff, wodurch Methan entsteht. Da das Methanmolekül nicht aus dem Metallgitter entweichen kann, baut sich im Inneren ein enormer Innendruck auf. Laut den Forschern kann dieser Druck das Hundertfache des üblichen Verbrennungsdrucks erreichen, was die strukturelle Integrität des Bauteils massiv gefährdet.

Herausforderungen für die Anlagentechnik

Besonders problematisch ist dieses spezifische Temperaturfenster für Anlagen, die nicht im Dauerbetrieb laufen. Gasturbinen, die regelmäßig an- und ausgeschaltet werden, durchlaufen bei jedem Start- und Stoppvorgang die kritische Marke von 400 °C. Genau in diesen Phasen könnte die chemische Reaktion zur Bildung von Methan führen und das Material schleichend schädigen.

Da Carbide nicht nur in speziellen Superlegierungen, sondern auch in einer Vielzahl anderer Werkstoffe zur Festigkeitssteigerung eingesetzt werden, ist die Tragweite dieser Entdeckung noch nicht vollständig absehbar. Das Forschungsteam plant daher weiterführende Untersuchungen, um zu klären, wie verbreitet dieses Phänomen bei unterschiedlichen Materialzusammensetzungen ist.

Die Ergebnisse unterstreichen, wie komplex die Materialanforderungen für eine Wasserstoffwirtschaft sind. Während die chemischen Eigenschaften des Energieträgers gut verstanden sind, offenbart die Interaktion mit metallischen Werkstoffen unter variablen Betriebsbedingungen weiterhin technologische Hürden, die für die Sicherheit und Langlebigkeit zukünftiger Infrastruktur gelöst werden müssen.