Forschung
Mit Hilfe der Atomsonde untersuchte Xizhen Dong, eine der Erstautorinnen der Studie und Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt. Solche Legierungen werden unter anderem für Turbinenschaufeln in Gasturbinen und Flugzeugen eingesetzt. - Photo: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
10.08.2026

Forschung zu Wasserstoffeinfluss auf Turbinenwerkstoffe

Gasturbinen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, liefern 22% des globalen Stroms. Gleichzeitig sind sie für 15% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich.

Um Gasturbinen CO2-frei zu betreiben, könnte Wasserstoff als umweltfreundliche Alternative in Gasturbinen zur Stromerzeugung und in der Luftfahrt eingesetzt werden. Doch wie beeinflusst Wasserstoff Nickelbasis-Superlegierungen – der Werkstoff aus dem die Turbinenschaufeln bestehen – unter den extremen Bedingungen innerhalb der Turbine?

Während die Wirkung von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur bereits intensiv untersucht wurde, ist über das Verhalten bei erhöhten Temperaturen wie in Gasturbinen, bislang deutlich weniger bekannt. Ein internationales Forschungsteam unter anderem vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) hat untersucht, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Turbinenschaufeln bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell verspröden wie bei Raumtemperatur. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für Bauteile dar, die höchsten Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit genügen müssen. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Warum Wasserstoff bei hohen Temperaturen schädlicher ist

„Dringt Wasserstoff bei Raumtemperatur in eine Nickelbasis-Superlegierung ein, setzt er sich in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und führt zur Versprödung. Bei erhöhten Temperaturen kommt noch ein weiterer Effekt hinzu: Wasserstoff dringt in die Karbide, die eigentlich für die Festigkeit des Werkstoffs verantwortlich sind, und verbindet sich dort mit Kohlenstoff. Wasserstoff und Kohlenstoff reagieren zu Methan, welches einen hohen lokalen Druck auf die Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix ausübt und so schneller zu Materialversagen führt“, erklärt Dr. Xizhen Dong, Postdoktorandin am MPI-SusMat und eine der Erstautorinnen der Studie.

Die Temperatur ist entscheidend

Dong und ihr Team untersuchten, wie sich Wasserstoff auf Nickelbasis- Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400°C und 1000°C auswirkt. Mithilf der Atomsonde analysierten sie den Werkstoff auf atomarer Ebene und simulierten die Bildung von Methan mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie. Dabei konnten sie zeigen, dass wasserstoffbedingte Schädigungen aufgrund thermodynamischer Bedingungen ausschließlich bei 400°C auftreten. Denn nur bei dieser Temperatur ist die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt. Oberhalb von 400 °C wurde keine Methanbildung beobachtet.

„Dieses Ergebnis ist insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung und für Flugtriebwerke von großer Bedeutung“, erklärt Professor Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat und einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

„Im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen laufen, werden Gasturbinen häufig an- und abgeschaltet. Dadurch sind sie einem deutlich
größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt und genau in diesem Bereich kann wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftreten.“

Zwischen hoher Festigkeit und Wasserstoffresistenz

Karbide erhöhen die Festigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen, Stählen und Verbundwerkstoffen. Die jetzigen Untersuchungen zeigen allerdings, dass bei erhöhten Temperaturen und der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger Karbide die Eintrittspforte für Wasserstoffversprödung sein können. Um zukünftig Gasturbinen mit Wasserstoff und somit CO2-frei betreiben zu können, sollten alternative Verfestigungsmechanismen gefunden werden.

Alternativ müssten die Werkstoffe so angepasst werden, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der durch Karbide erzielten Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber
wasserstoffinduzierter Versprödung erzielt wird.

Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist vorhandene Legierungen unter realen Einsatzbedingungen zu testen, um deren Sicherheit und Lebensdauer optimieren zu können.

Die Studie wurde von Forschenden der East China University of Science and Technology (China), des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (Deutschland) und der Hunan University (China) geleitet.

Originalveröffentlichung:
S. Kong, X. Dong, Z. Zhong, J. Hou, Y. Zhao, B. Gault, S. Wei, A. Saksena, K.-S. Li, B. Sun, X.-C. Zhang, D. Raabe, S.-T. Tu: Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures. In: Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02680-w

(Quelle: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH)

Schlagworte

BundChinaCO2CO2-EmissionenDeutschlandEmissionenEnergieErgebnisEUForschungHZIMUINGLegierungenMax-Planck-InstitutStudieTemperaturUmweltWasserstoffWerkstoffWerkstoffeWirtschaft

Verwandte Artikel

Artikel des Monats
16.10.2026

HÜTTENTAG 12. November 2026

Experten aus Industrie, Politik und Forschung diskutieren die Zukunft der Stahlbranche unter den aktuellen Rahmenbedingungen in der Messe Essen.

ABP Benteler Deutschland Energie Essen EU Europa Handel Industrie ING Maschinenbau Metallindustrie Nachhaltigkeit Politik Stahl Stahlindustrie Tube Umwelt Unternehmen VDMA Wettbewerb Wirtschaft
Mehr erfahren
16.10.2026

Kritik an den EU-Exportbeschränkungen für Altmetall

Europas Metallrecycling-Unternehmen fürchten um Absatzmärkte in Asien und Nordafrika

Altmetall Aluminium Anlagen Asien Automobil Berlin Energie Essen EU EU-Kommission Europa Handel Indien Industrie ING Investition Kreislaufwirtschaft Maschinenbau Messe OECD Politik Recycling Rohstoffe Schrott Stahl Technik Umwelt Unternehmen USA Vietnam Wettbewerb Wirtschaft WTO
Mehr erfahren
Geert van Poelvoorde, Präsident von EUROFER
15.10.2026

Europas Stahlindustrie reaktiviert Produktionskapazität

Die Stahlproduktion in der EU steigt und EUROFER erkennt einen Ausbau der Kapazitäten

Arvedi Energie Entwicklung EUROFER Handel Importe Industrie ING Investition KI Klima LED Nippon Steel Produktion Rohstahlproduktion Stahl Stahlhandel Stahlindustrie Stahlproduktion Vorstand Wettbewerb Wirtschaft
Mehr erfahren
15.10.2026

Cremer Erzkontor gründet neue Gesellschaft in Dubai

Die Cremer Erzkontor GmbH setzt ihren internationalen Wachstumskurs konsequent fort und gründet mit der Cremer Erzkontor Raw Materials Trading Middle East FZE eine eigen...

Emirate Emirate Entwicklung EU Gesellschaft Handel HZ HZ Industrie ING Logistik Rohstoffe Unternehmen USA Vertrieb Zusammenarbeit Zusammenarbeit
Mehr erfahren
14.10.2026

Knauf Interfer erweitert Standort Barsinghausen

High-Tech-Anlage Stahlbearbeitung und neue Hallen am Werk Delta Stahl

Blech EU Handel Inbetriebnahme ING Investition Logistik Nachhaltigkeit Produktion Querteilanlage Service Stahl Stahlblech Transport Wettbewerb Wirtschaft Zink
Mehr erfahren