Wer über nachhaltige Energieträger der Zukunft nachdenkt, kommt an Wasserstoff nicht vorbei. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert, wird eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt, die sich vielseitig nutzen lässt – etwa für den Antrieb von Fahrzeugen oder zur Stromerzeugung. Allerdings liegt eine zentrale Herausforderung bei der Massenproduktion von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Speicherung und Verteilung des Gases, da Wasserstoff viele Materialien korrodiert.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Forschenden der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und DESY hat eine vielversprechende Materialklasse untersucht: Hochentropie-Legierungen. Zum Einsatz kamen dabei mehrere weltweit führende Forschungsanlagen – darunter PETRA III – sowie theoretische Berechnungen auf dem neuesten Stand der Technik.

Hochentropie-Legierungen bestehen aus einer Mischung mehrerer Metalle und zeichnen sich durch besonders stabile und korrosionsbeständige Festkörperstrukturen aus. Im Rahmen der Studie untersuchten die Forschenden, wie sich diese vergleichsweise neuen Werkstoffe in einer Wasserstoffatmosphäre unter Druck verhalten.

Mithilfe von Röntgen- und Neutronen Streuuntersuchungen konnte das Team das komplexe Wechselspiel zwischen den Legierungen und dem Wasserstoff sehr genau nachvollziehen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Das Team unter der Leitung von Kirill Yusenko von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) konzentrierte sich auf die Hochentropie-Legierung „Cantor“. Diese gehört zu einer Materialklasse, die sich deutlich von herkömmlichen Metalllegierungen unterscheidet: Während klassische Legierungen meist aus bis zu vier unterschiedlichen Metallen mit Spuren weiterer Elemente bestehen, setzen sich Hochentropie-Legierungen aus nahezu gleichen Anteilen von fünf oder mehr Metallen zusammen.

Die Cantor-Legierung wurde erstmals 2004 von einer britischen Forschungsgruppe um den Materialwissenschaftler Brian Cantor synthetisiert. Sie besteht aus gleichen Stoffmengenanteilen, also gleichen Anzahlen von Atomen, der Metalle Kobalt, Chrom, Eisen, Nickel und Mangan. Aufgrund ihrer besonderen Struktur weist sie eine außergewöhnlich hohe Korrosionsbeständigkeit sowie sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Damit gilt das Material als vielversprechender Kandidat, um zukünftig konventionelle Legierungen in Industrie und bei Produkten des täglichen Gebrauchs ersetzen.

Mithilfe von Röntgenstreuungsmessungen an PETRA III bei DESY und der ESRF (Frankreich) sowie Neutronenstreuungsmessungen am J-PARC (Japan) entdeckte das Team, dass die Cantor-Legierung unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen Wasserstoffgas aufnimmt und dabei Hydride bildet – also einzelne Wasserstoffatome, die in die Legierungsstruktur eingebunden werden. Unter typischen industriellen Bedingungen nahm die Legierung jedoch keinen Wasserstoff auf und war damit korrosionsbeständig.

„Diese Studie liefert entscheidende Erkenntnisse zum Verständnis der Resistenz gegen Wasserstoff der Cantor-Legierung, einem Schlüsselfaktor für die Korrosionsbeständigkeit“, erklärt Konstantin Glazyrin, Wissenschaftler an der PETRA III-Messstation P02.2 für Messungen unter extremen Probenbedingungen und Erstautor der Veröffentlichung. „Unsere methodische Herangehensweise und die Ergebnisse könnte die Materialforschung vorantreiben und praktische Anwendungen im Bereich der Wasserstoffwirtschaft hervorbringen.“

Dagegen wirft die Bildung von Hydriden neue Fragen auf: „Hochentropie-Legierungen und ihre Hydride sind nach wie vor ein Rätsel“, erklärt Kirill Yusenko. „Einige dieser Materialien könnten zwar prinzipiell genug Wasserstoff aufnehmen, um als Speichermedium in Brennstoffzellen zu dienen. Jedoch zeigt sich im Fall der Cantor-Legierung, dass Korrosionsbeständigkeit und hohe Wasserstoffaufnahme nicht mit den Anforderungen an Brennstoffzellen vereinbar sind – diese müssen schließlich große Mengen Wasserstoff unter hohem Druck speichern können. Gleichzeitig besitzt die Cantor-Legierung andere Eigenschaften, die sie für die Wasserstoffspeicherung im weiteren Sinne interessant machen, etwa für die sichere Lagerung und den Transport in anspruchsvollen Umgebungen wie wiederverwendbaren Raketenstufen oder Fahrzeugmotoren.“

Als nächsten Schritt plant das Team, weitere Hochentropie-Systeme mit unterschiedlichen Materialkombinationen zu untersuchen, um deren Verhalten unter Druck und in Wasserstoffatmosphäre zu vergleichen. „Hochentropie-Systeme rücken zunehmend in den Fokus der Forschung“, betont Fritz Körmann von der RUB, ein weiterer Co-Autor der Studie. „Sie sind nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern auch für vielfältige weitere Anwendungen – und könnten damit einen Beitrag zu einer zugleich technologisch fortschrittlichen als auch nachhaltigen Zukunft leisten.“

Originalveröffentlichung

Glazyrin et al., "Synthesis of high-entropy hydride from the cantor alloy (fcc–CoCrFeNiMn) at extreme conditions", Nature Communications 17 (2622), 2026, DOI:10.1038/s41467-026-70483-3