Magdalena Kirchmair forscht für die Energiewende

Wasserstoff gilt als Schlüsselelement der Energiewende, doch der Einsatz bringt nicht nur Vorteile, sondern auch technische Herausforderungen mit sich. Ein zentrales Problem ist die sogenannte Wasserstoffversprödung, ein Phänomen, bei dem Wasserstoff in einen Werkstoff eindringt und dessen mechanische Eigenschaften negativ beeinflusst. Gerade in sicherheitskritischen Bereichen kann dies fatale Folgen in der Anwendung mit sich bringen. Genau hier setzt die Forschungsarbeit von Magdalena Kirchmair an: Die Dissertantin forscht am Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme mit dem Ziel, Barriereschichten zu entwickeln, die den Grundwerkstoff zuverlässig vor dem Eindringen von Wasserstoff schützen.

Damit sollen insbesondere sicherheitskritische Bauteile, die unter extremen Bedingungen – etwa bei hohen Temperaturen oder Drücken – mit Wasserstoff in Kontakt stehen, deutlich robuster, langlebiger und sicherer gemacht werden. Das betrifft beispielsweise zentrale Anwendungen wie Elektrolyseure, Brennstoffzellen oder Wasserstoffverbrennungsmotoren und damit Schlüsseltechnologien der Energiewende.

Herausforderungen der Wasserstoffnutzung

Die Wasserstoffversprödung ist ein Effekt, der vor allem die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Werkstoffen erheblich beeinträchtigt und insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen ein Risiko darstellt. Betroffen sind vor allem niedriglegierte Stähle, diese sind kostengünstig und daher wirtschaftlich attraktiv, aber anfällig für genau dieses Phänomen. Aus diesem Grund ist es wichtig, geeignete Maßnahmen zur Vermeidung oder Reduzierung dieses Effekts zu ergreifen.

Barriereschichten aus Hochentropielegierungen

Kirchmairs aktuelle Forschung, setzt deshalb auf Hochentropielegierungen (HEAs). Das Legierungskonzept dieser neuen Materialklasse verfügt über außergewöhnliche mechanische, chemische und physikalische Eigenschaften, die für die Anforderungen der Wasserstofftechnik optimal sind. Im Fokus der Forschungsarbeit stehen insbesondere refraktäre Hochentropielegierungen (RHEAs), bestehend aus Elementen, die sich durch hohe Schmelzpunkte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.

Diese RHEA-Dünnschichten werden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf das Grundmaterial, dem sogenannten Substrat abgeschieden. Dabei kommen zwei Verfahren zum Einsatz: das Gleichstrom-Magnetronsputtern (DCMS) und das Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern (HiPIMS). Um die Schutzwirkung der Schichten anschließend zu testen, wird eine am Lehrstuhl entwickelte spezielle Prüfmethode eingesetzt: die „Side Charging Cell“. Dabei handelt es sich um eine Variante der in-situ elektrochemischen Nanoindentation, bei der die mechanischen Eigenschaften während der Wasserstoffbeladung simultan untersucht werden.

Die Ergebnisse der laufenden Forschungsarbeit zeigen, dass die mittels HiPIMS abgeschiedenen Schichten bisher das größte Potential besitzen, als wirksame Barriere zu fungieren und das Eindringen von Wasserstoff in den Ausgangswerkstoff erheblich zu reduzieren. Das Dissertationsvorhaben der Werkstoffwissenschaftlerin leistet somit einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung sicherer und langlebiger Komponenten für die Wasserstofftechnik.

Kontakt
Dipl.-Ingⁱⁿ. Magdalena Kirchmair
Lehrstuhl für funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme
Montanuniversität Leoben
Tel.: +43 3842 402 – 4288
E-Mail: magdalena.kirchmair@unileoben.ac.at