Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für klimaneutrale Gasturbinen, kann den Turbinenwerkstoffen bei hohen Temperaturen aber deutlich schneller schaden als bislang angenommen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) hat nachgewiesen, dass Nickelbasis-Superlegierungen, aus denen Turbinenschaufeln bestehen, bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell verspröden wie bei Raumtemperatur. Die im Fachjournal Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse sind sowohl für Gasturbinen in der Stromerzeugung als auch für Flugtriebwerke relevant.
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Fossil betriebene Gasturbinen liefern rund 22 Prozent des weltweiten Stroms und verursachen dabei 15 Prozent der globalen Kohlendioxid-Emissionen. Wasserstoff könnte diese Emissionen vermeiden, am Boden wie in der Luft, denn auch Flugtriebwerke lassen sich grundsätzlich mit Wasserstoff betreiben. Wie sich Wasserstoff bei hohen Temperaturen auf die Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt, war bislang kaum erforscht.
Das Team um Dr. Xizhen Dong vom MPI-SusMat untersuchte Proben der Legierung bei Temperaturen zwischen 400 und 1000 Grad Celsius. Mit einer Atomsonde analysierten sie den Werkstoff auf atomarer Ebene und simulierten die Methanbildung mithilfe der Dichtefunktionaltheorie. Wasserstoff setzt sich bei Raumtemperatur vor allem an Grenzflächen und Versetzungen fest und löst dort Versprödung aus. Bei höheren Temperaturen kommt ein weiterer Effekt hinzu: Wasserstoff dringt in Karbide ein, die eigentlich für die Festigkeit der Legierung sorgen, und reagiert dort mit Kohlenstoff zu Methan. Das entstehende Gas erzeugt hohen lokalen Druck an den Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix und führt so zu frühzeitigem Materialversagen. Die Reaktion läuft aus thermodynamischen Gründen nur bei rund 400 Grad Celsius ab, oberhalb dieser Temperatur ließ sich keine Methanbildung mehr nachweisen.
Gerade für die Luftfahrt ist dieser Temperaturbereich besonders relevant. Anders als stationäre Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, werden Flugtriebwerke regelmäßig an- und abgeschaltet und durchlaufen dabei ein breites Temperaturspektrum. Genau in diesem Bereich, etwa beim Start oder bei Lastwechseln, kann die wasserstoffbedingte Versprödung besonders ausgeprägt auftreten, ein zentraler Befund für Bauteile mit höchsten Sicherheitsanforderungen. Da Karbide zugleich für die Festigkeit der Legierungen sorgen, lässt sich das Problem nicht einfach durch deren Entfernung lösen. Künftige Legierungen müssten auf alternative Verfestigungsmechanismen setzen oder so gestaltet werden, dass Festigkeit und Wasserstoffresistenz besser im Gleichgewicht stehen.
Quelle: https://www.mpie.de/5168821/hydrogen-effects-in-gas-turbines