- Eine von Forschern der Universität Oxford und des Brookhaven National Laboratory geleitete Studie hat aufgedeckt, wie die Einwirkung von Wasserstoffatomen die innere Struktur von Edelstahl dynamisch verändert.
- Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff innere Defekte im Stahl auf eine Weise verschieben kann, die normalerweise nicht möglich ist – was zu unerwarteten Ausfällen führen kann.
- Diese Entdeckung bietet wichtige Erkenntnisse, die dazu beitragen könnten, Wasserstoff-Brennstoffsysteme sicherer und zuverlässiger zu machen, von Flugzeugen und Fusionsreaktoren bis hin zu Pipelines und Lagertanks.
- Die Studie wurde heute (9. September) in Advanced Materials veröffentlicht .
In einem weltweit ersten Experiment nutzte das Team eine fortschrittliche Röntgenbildgebungstechnik, um zu verfolgen, wie winzige Defekte in Edelstahl (sogenannte Versetzungen) auf Wasserstoffeinwirkung reagieren. Dies ist entscheidend, um zu verstehen, wie Wasserstoff Metalle schwächen oder versagen lassen kann, und könnte die Entwicklung von Legierungen der nächsten Generation für eine wachsende Wasserstoffwirtschaft vorantreiben.
Der leitende Forscher Dr. David Yang (Brookhaven National Laboratory) sagte: „Wasserstoff hat großes Potenzial als sauberer Energieträger, ist aber dafür bekannt, Materialien, mit denen er in Kontakt kommt, spröder zu machen. Zum ersten Mal haben wir unter realistischen Bedingungen direkt beobachtet, wie Wasserstoff das Verhalten von Defekten in Edelstahl tief im Inneren des Metalls verändert. Dieses Wissen ist unerlässlich für die Entwicklung von Legierungen, die in extremen Umgebungen widerstandsfähiger sind, darunter zukünftige wasserstoffbetriebene Flugzeuge und Kernfusionskraftwerke.“
Da viele Länder auf fossilfreie Energiesysteme umsteigen wollen, gilt Wasserstoff als idealer Kraftstoff für schwer dekarbonisierbare Sektoren wie Schifffahrt, Luftfahrt und Schwerlastverkehr. Wasserstoff kann jedoch zu unerwarteten Rissen in Metallen führen (Wasserstoffversprödung), die die Integrität von Hochdruckbehältern, Pipelines und kritischen Komponenten in Energiesystemen gefährden.
Während Ingenieure schon lange wissen, dass Wasserstoff die Leistung von Metallen beeinflusst, sind die genauen Mechanismen auf atomarer Ebene noch immer schwer zu fassen, da Wasserstoff sehr schwer nachweisbar ist.
Studienleiter Prof. Felix Hofmann (Department of Engineering Science, Universität Oxford) erklärte: „Mithilfe der kohärenten Röntgenbeugung, einer zerstörungsfreien Methode, konnten wir atomare Ereignisse in Echtzeit im Inneren von massivem Metall beobachten, ohne die Probe aufschneiden zu müssen. Es war unglaublich spannend, diese Daten zu analysieren und die Teile dieses wissenschaftlichen Puzzles zusammenzusetzen. Einige Ergebnisse überraschten uns wirklich, da sie unerwartetes Verhalten zeigten.“
Um herauszufinden, was Wasserstoff im Inneren des Materials bewirkt, fokussierten die Forscher mithilfe einer ultrahellen Strahlenlinie der Advanced Photon Source in den USA Röntgenstrahlen auf ein einzelnes Edelstahlkorn mit einem Durchmesser von etwa 700 Nanometern. Anschließend verwendeten sie eine Technik namens Bragg Coherent Diffraction Imaging, um zu messen, wie sich die innere Struktur dieses Korns im Laufe der Zeit verändert. Bei dieser Methode werden die Röntgenstrahlen am Kristallgitter gestreut, wodurch ein komplexes Interferenzmuster entsteht. Dieses lässt sich rekonstruieren, um die Struktur des Korns, seine Kristalldefekte und die Art und Weise, wie diese das umgebende Gitter verzerren, sichtbar zu machen.
Durch die Abbildung des Stahlkorns über einen Zeitraum von 12 Stunden ergab das Experiment drei wichtige Veränderungen nach der Einführung von Wasserstoff:
- Versetzungen wurden unerwartet beweglich. Innere Verwerfungen begannen sich zu bewegen und neu zu formen, auch ohne zusätzliche äußere Spannung. Dies deutet darauf hin, dass Wasserstoff auf atomarer Ebene wie ein Schmiermittel wirkt und die Bewegung von Defekten erleichtert.
- Es wurde eine überraschende Bewegung der Defekte außerhalb der Ebene beobachtet. Diese Aufwärtsbewegung, auch „Climb“ genannt, ist unerwartet und deutet darauf hin, dass Wasserstoff eine Neuanordnung der Atome ermöglicht, die bei Raumtemperatur normalerweise nicht möglich ist. Dieser Prozess spielt vermutlich eine entscheidende Rolle bei der Verringerung der Härte von Legierungen.
- Das die Versetzung umgebende Spannungsfeld verringerte sich mit zunehmender Wasserstoffansammlung merklich. Ein Spannungsfeld ist die Zone um einen Defekt, in der Atome verschoben oder gezogen werden, wodurch sich das Material dem Defekt anpassen kann. Diese Studie liefert die erste direkte, dreidimensionale experimentelle Messung eines seit langem theoretisch vermuteten Effekts namens „ elastische Wasserstoffabschirmung“ , bei dem Wasserstoff die Spannungsfelder des Defekts reduziert und das umgebende Metall effektiv vor Spannungen schützt.
Diese Erkenntnisse helfen zu erklären, warum Wasserstoff zu unerwarteten Ausfällen in Metallen führen kann, da er es inneren Defekten ermöglicht, sich leichter und auf eine Art und Weise zu bewegen, die normalerweise nicht möglich ist.
Credits
David Yang Felix Hofmann Blasengrafik stammt von Free PNG Logos John D
