Plus 2025-11-19T08:00:00Z Wasserstoffversprödung im Stahlbau

Wasserstoff schadet Stählen. Insbesondere hochfeste Stähle, wie sie für den Bau von Brücken und Hochhäusern zum Einsatz kommen, sind anfällig für Versprödung durch atomaren Wasserstoff aus der Umwelt. Empa-Forschende versuchen, die komplexen Mechanismen dahinter besser zu verstehen. Ihre Erkenntnisse könnten künftig zum Bau langlebigerer Brücken beitragen.

Im September 2024 stürzte ein rund 100 m langer Abschnitt der Dresdner Carolabrücke ein. Ursache: Risse an der stählernen Spannstruktur der Brücke. Der Schuldige: Wasserstoff. Die Carolabrücke ist nicht das erste Bauwerk, dem Wasserstoff zerstörerisch zugesetzt hat. Weitere bekannte Beispiele sind der Londoner Wolkenkratzer „122 Leadenhall Street“ und die „Bay Bridge“ in San Francisco. In beiden Fällen kam es zum Glück nicht zum Einsturz der Bauwerke, aber zerbrochene Stahlbolzen lösten hohe Sanierungskosten aus.

Oxidschicht als Schutzschild

Der Prozess, der solchen Bauwerksschäden zugrunde liegt, hat einen Namen: Wasserstoffversprödung. Korrosion in Anwesenheit von Wasser kann an der Oberfläche von Stahlbauteilen offenbar atomaren Wasserstoff freisetzen – das kleinste Element des Periodensystems. Aufgrund der geringen Größe diffundiert das Element in den Stahl, wo es durch verschiedene Mechanismen Rissbildungen begünstigt.

Dass Wasserstoff Metalle angreift, ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Vollständig verstanden sind die komplexen Mechanismen hinter der Wasserstoffversprödung allerdings bis heute nicht – trotz zahlreicher Studien. Schweizer Forschende aus dem Labor für Fügetechnologie und Korrosion der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) untersuchen nun eine Seite der Wasserstoffversprödung, der bisher sehr wenig Aufmerksamkeit zuteil kam: die Interaktion des Wasserstoffs mit der so genannten nativen Oxidschicht auf Stahloberflächen.

Native Oxidschichten – auch Passivierungsschichten genannt – entstehen spontan durch Kontakt des Metalls mit Sauerstoff. Sie sind extrem dünn, können aber gleichwohl im positiven Sinn sehr wirksam sein. Sie verleihen rostfreien Stählen ihre Korrosionsbeständigkeit. Und sie können auch als Barriere für das Eindringen von Wasserstoff wirken. An der Empa soll nun genauer untersucht werden, wie Wasserstoff mit den dünnen Oxidschichten interagiert, und unter welchen Bedingungen sich der Schutzschild-Effekt optimieren lässt.

Art und Zusammensetzung der nur wenige Nanometer dicken Schichten unterscheiden sich von Stahl zu Stahl. Gewisse Oxide sind deutlich stabiler und resistenter gegenüber Wasserstoff als andere. Sie schützen den Stahl daher besser vor Versprödung. Die Eigenschaften solcher Oxide und ihre Interaktion mit Wasserstoff wollen die Empa-Forscherinnen Chiara Menegus und Claudia Cancellieri nun genauer untersuchen.

Konkret untersuchen die beiden die Oxide auf unterschiedlichen Eisen-Chrom-Legierungen sowie auf einigen gängigen Stählen. Auch den Wasserstoffgehalt der Metallproben wollen sie ermitteln. „Wir hoffen, dadurch den Effekt von Wasserstoff auf die nativen Oxidschichten besser zu verstehen und besonders resistente Oxidformen zu finden“, erläutern Menegus und Cancellieri.

Innovativer Versuchsaufbau

Ein besonderes Augenmerk legen die Forscherinnen auf die Grenzfläche zwischen dem Metall und seiner Oxidschicht. „Wasserstoff sammelt sich im Material jeweils dort an, wo Unordnung herrscht“, erklärt Doktorandin Menegus. „Die Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Oxid ist eine solche Stelle.“ Die Forschung am Wasserstoff im Stahl ist allerdings herausfordernd. „Es ist schwierig, eine verborgene Grenzfläche im Inneren des Materials zu untersuchen, ohne die Probe zu zerstören“, sagt Claudia Cancellieri, Forschungsgruppenleiterin im Labor für Fügetechnologie und Korrosion.

Hinzu kommt, dass sich das leichte Element Wasserstoff mit gängigen Analysemethoden gar nicht bestimmen lässt. Zudem müssen die Experimente unter Ausschluss aller weiteren Umweltfaktoren wie Sauerstoff und Feuchtigkeit stattfinden – ansonsten entstehen komplexe Interaktionen und Korrosionsprozesse, die den Wasserstoffeinfluss maskieren.

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All diese Herausforderungen wollen die Forscherinnen mit einem innovativen Versuchsaufbau meistern. Im ersten Jahr ihres Doktorats hat Chiara Menegus eine elektrochemische Zelle entwickelt, in der die Stahlprobe befestigt wird. Auf einer Seite der Probe befindet sich Wasser, auf der anderen das Edelgas Argon. Durch Anlegen von elektrischer Spannung wird aus dem Wasser atomarer Wasserstoff generiert. Er diffundiert durch die dünne Probe, bis er die Oxidschicht auf der gegenüberliegenden Seite erreicht und hier mit dem nativen Oxid interagiert.

„So können wir die Interaktion von atomarem Wasserstoff mit dem nativen Oxid von anderen Umwelteinflüssen isolieren“, erklärt Menegus. Sämtliche Schritte – vom Zusammenbau der Zelle bis zur Analyse der Probe – finden unter Schutzatmosphäre statt.

Analyse per HAXPES-Methode

Um den Einfluss des Wasserstoffs auf die Metallprobe und dessen Oxidschicht zu untersuchen, greifen die Forscherinnen auf eine besondere Analysetechnik zurück: die harte Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie („Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy“ – kurz: HAXPES). Diese nutzt hochenergetische Röntgenstrahlung, um die Art und den chemischen Zustand von Atomen in einem Material zu bestimmen, und zwar nicht nur an der Oberfläche, sondern bis zu 20 Nanometer in der Tiefe – genug, um die rund fünf Nanometer dicke Oxidschicht sowie die darunterliegende Grenzfläche zum Stahl zu erfassen.

Zwar lässt sich der Wasserstoff selbst damit nicht direkt erfassen – seine Auswirkungen auf die gesamte Oxidschicht konnten die Forscherinnen jedoch bereits deutlich demonstrieren. „Die ersten Versuche zeigen, dass der Wasserstoff die schützende Oxidschicht abbaut“, sagt Menegus. Die HAXPES-Methode beruht auf dem photoelektrischen Effekt, für dessen Entdeckung Albert Einstein 1921 den Nobelpreis in Physik erhielt. Mit Röntgenstrahlung werden aus dem Material Elektronen „herausgeschlagen“, die Rückschlüsse auf die chemische Beschaffenheit der Probe ermöglichen. Die einzige HAXPES-Anlage in der Schweiz steht im Labor für Fügetechnologie und Korrosion an der Empa.