EMPA: Schleichender Zerfall

23.10.2019 | von EMPA


EMPA

23.10.2019, «Korrosion» stammt vom lateinischen «corrodere», zernagen. Darunter versteht man die allmähliche Zerstörung eines Stoffes durch Einwirkung von Stoffen aus seiner Umgebung. Spezialisten der Empa nehmen solche Prozesse unter die Lupe und können Wege finden, um Materialversagen durch Korrosion zu verhindern - lange bevor sich Katastrophen wie in Genua ereignen.

Der Bauherr einer neuen Schweizer Industrieanlage für Hightech-Geräte stand vor einem Rätsel: Kilometerlange, nagelneu verlegte Druck- und Kühlleitungen aus nichtrostendem Stahl und Aluminium im Wert von mehreren hunderttausend Franken fingen noch während des Baus an zu korrodieren.

Was hatte die Metalle so schnell angegriffen? Experten der Empa nahmen das ganze System unter die Lupe: Waren korrosive Baustoffe im Spiel, waren Reinigungsmittel schuld, oder waren schlicht die falschen Materialien ausgewählt worden? Schliesslich fanden sie den Schuldigen in Form einer kleinen Flasche auf einem Werkstattwagen:

Der Montagetrupp hatte statt eines professionellen Dichtigkeitsprüfmittels ein Universalreinigungsmittel aus dem Supermarkt verwendet, um mit dem Schaum Undichtigkeiten zu lokalisieren. Doch das Mittel aus dem Supermarkt enthielt Säuren und Chloride, die die Metalle korrodieren liessen.

Szenenwechsel: Dem Hausmeister einer Schule in der Ostschweiz fällt bei Reinigungsarbeiten in den Frühjahrsferien 2019 Korrosion an den Befestigungen der Deckenlampen in der Turnhalle auf. Die Schulverwaltung zieht den Architekten zu Rate, der den Bau seinerzeit beaufsichtigt hatte. Der Architekt informiert die Empa.

Die Deckenverkleidung wird abgebaut. Ergebnis: Die gesamte Deckenkonstruktion weist massive sicherheitsrelevante Korrosionsschäden auf. Bei der Sanierung einige Jahre zuvor hatten die Arbeiter, aus Unkenntnis des Materials, Metallhaken durch Isolationsplatten aus Phenolharz-Schaum gebohrt. Kondenswasser liess die Isolation später feucht werden.

Der Phenolharzschaum entwickelte daraufhin starke Säuren, die die Befestigungshaken praktisch durchrosten liessen. Die Decke wäre irgendwann herabgestürzt.

Ingenieur und Wissenschaftler - zwei Herzen in einer Brust
Ist das also die typische Tätigkeit von Korrosionsforschern? Sind sie so etwas wie die Pathologen der Bauwirtschaft, die Material-Leichen sezieren und immer von Neuem nach Tätern suchen? Keineswegs. Korrosionsforscher sind viel mehr.

Sie arbeiten an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft und Konstruktion einerseits, Chemie und Physik andererseits. Mit einem Bein sind sie Ingenieure, mit dem anderen Naturwissenschaftler. Und sie betrachten nicht nur Fehler der Vergangenheit, sie blicken auch in die Zukunft.

Ein Beispiel: die Wasserstoffwirtschaft. Die angestrebte Energiewende wird es in den nächsten Jahren nötig machen, grosse Mengen an Überschussstrom in Wasserstoff umzuwandeln. Nur so ist Solar- und Windstrom aus dem Sommer bis in den Winter speicher- bar. Doch dazu braucht es nicht nur Speichertanks, sondern auch Leitungen, Ventile, Zapfpistolen, Transportfahrzeuge und diverses Zubehör, etwa Zählwerke für die gelieferte Menge des Gases.

All dies muss aus hochfesten Stählen gebaut sein, die Hunderte Atmosphären Druck aushalten und mit Dichtungen versehen sein, die Leckagen über Jahre verhindern. Doch Wasserstoff dringt in manche Stähle ein und führt schon bei normalen Umgebungstemperaturen zu einer Versprödung des Stahls.

Bei Temperaturen über 300 Grad Celsius reagiert der Wasserstoff zusätzlich mit dem Kohlenstoffanteil des Stahls und verschlechtert dessen Qualität. Die Empa erforscht schon heute die Mechanismen der so genannten Wasserstoff-Versprödung und entwickelt Materialien für die Energieversorgung der Zukunft.

Spurensuche mit Mikrosensoren
Fatalerweise entsteht Wasserstoff nicht nur gewollt, er kann auch bei der Korrosion entstehen und in das Material eindringen. Und dort hat er, in kleinsten Mengen eingelagert, die gleiche zerstörerische Wirkung: Er macht Hightech-Legierungen spröde und bruchanfällig. Um zu verstehen, was passiert und wie dies zu verhindern ist, müssen die Forscher ganz nahe an die Mikrostruktur eines Materials heranzoomen und die chemischen Reaktionen in winzigen, von Korrosion betroffenen Bereichen untersuchen.

Die Empa hat hierfür eigens Mikrosensoren entwickelt, die Oberflächen von weniger als einem hunderttausendstel Quadratmillimeter analysieren können und dabei weniger als ein millionstel Gewichtsprozent Wasserstoff aufspüren. Mit diesen Methoden untersuchen sie kritische Zonen in Bauteilen, etwa Schweissnähte, die durch atomaren Wasserstoff spröde werden und letztlich versagen könnten.

Lars Jeurgens leitet seit 2012 die Empa- Abteilung «Fügetechnologie und Korrosion» und pflegt mit seinem Team eine gut ausbalancierte Mischung aus Forschung und industrierelevanten Dienstleistungen. «Wir haben Absolventen der ETH Zürich und der EPFL bei uns im Team und nutzen das geballte Wissen dieser beiden führenden Ingenieursschulen», sagt Jeurgens.

Er selbst stammt aus Holland, hat lange am Max-Planck-Institut in Stuttgart gearbeitet. «Korrosion kennt keine Grenzen - daher sind wir international sehr gut mit Experten aus Wissenschaft und Industrie vernetzt und tauschen uns über neuste Erkenntnisse und Methoden aus. Es ist sehr wertvoll für uns, diese Erfahrungen zu teilen. Gemeinsam lassen sich viele komplexe Probleme leichter und schneller lösen.»


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Über EMPA:
Die Empa blickt auf eine lange und wandlungsreiche Geschichte zurück, die als «Anstalt für die Prüfung von Baumaterialien» 1880 im Kellergeschoss des Polytechnikums in Zürich, der heutigen ETH Zürich, ihren Anfang nahm. Ludwig von Tetmajer, Professor für Baumaterialkunde, ist ihr erster Direktor.

Anfangs war die neue Institution vor allem mit umfassenden Qualitätsprüfungen von Bau- und Konstruktionsmaterialien für die Schweizerische Landesausstellung 1883 beschäftigt. Tetmajers intensive Forschungsarbeiten brachten bereits in den Anfangsjahren erste wissenschaftliche Publikationen auf dem Gebiet der Prüfung und Normierung für Baustoffe und Metalle hervor.


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