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Wasserstoff gilt als vielversprechender Hoffnungsträger für die Energiewende. Vor allem in energieintensiven Branchen wie der Stahlindustrie soll er neue Möglichkeiten für eine nachhaltigere Produktion eröffnen. Allerdings bringt der Einsatz von Wasserstoff auch Nachteile mit sich: Bei vielen Metallen kann er die Materialstruktur schwächen und so gravierende Schäden anrichten. Ein Phänomen das zu plötzlichen, katastrophalen Versagensfällen führen kann und gemeinhin als „Wasserstoffversprödung” bekannt ist. Im Zuge des Dissertationsprojektes von Dipl.-Ing. Lukas Schweiger ist es nun aber einem Forscherteam der Montanuniversität Leoben gelungen, Wasserstoff als nützliches Werkzeug für die Materialentwicklung zu nutzen.
Im Rahmen einer Studie, veröffentlicht im renommierten Fachjournal „Advanced Science”, legen die Wissenschaftler dar, wie Wasserstoff sogar zur Schaffung von neuen und stabilen Materialstrukturen beitragen kann, die auf andere Weise nicht zustande kommen.
Wasserstoff: Vom Störfaktor zum Werkzeug
Das Team der Montanuniversität arbeitete mit einem Verbundwerkstoff aus zwei Metallen: einer komplexen Hochentropie-Legierung und einfachem Kupfer. Werden diese Metalle gemischt und stark verformt, vermischen sie sich in der Regel so gründlich, dass eine glasartige beziehungsweise amorphe Struktur entsteht. Dieser Vermischungsprozess kann jedoch verhindert werden, indem die Legierung zuvor in ihre Hydridform umgewandelt wird – also Wasserstoffatome in die Struktur eingebaut werden. Damit bleibt die Zweiphasenstruktur des Verbundstoffes erhalten.
Dieser Vorgang kann damit begründet werden, dass beide Materialien sehr unterschiedlich auf die Anwesenheit von Wasserstoff reagieren und die Hydridform außerdem weniger stark verformt werden kann. Diese Effekte wirken wie eine Barriere und können folglich die Vermischung der beiden Metalle auf mikroskopischer Ebene verhindern.
Dieser Ansatz könnte Forschenden nun ein neues Werkzeug bieten, um Metalle mit einzigartigen und stabilen Nanostrukturen zu entwickeln – und aufzeigen, dass sogar ein altbekanntes „Problem” wie Wasserstoff zu einem nützlichen Verbündeten werden kann.
Starke Allianzen in der Materialforschung
Die Forschung wurde am Department Werkstoffwissenschaft der Montanuniversität Leoben sowie am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (Österreichische Akademie der Wissenschaften) durchgeführt. Beteiligt waren außerdem der Lehrstuhl für Allgemeine und Analytische Chemie der Montanuniversität, das DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg und die Universität Wien.
Diese Zusammenarbeit unterstreicht das Engagement der Montanuniversität Leoben, die Wasserstoff-bezogene Materialforschung in Partnerschaft mit führenden nationalen und europäischen Forschungsinstitutionen voranzutreiben.