Was Windkraftanlagen mit Bahnschienen gemeinsam haben

Projekt am MPI für Eisenforschung zur Entwicklung eines neuen Stahls

Windturbinen und Eisenbahnschienen weisen sie eine Gemeinsamkeit auf: sogenannte weiß anätzende Risse (englisch: White Etching Cracks) – ein bislang weitgehend unverstandener Schadensmechanismus, der nicht vorhersagbar an mechanischen Kontaktpunkten auftritt und jährlich enorme Wartungskosten verursacht. Jetzt ist man am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) dem Schlüssel dieses Schadensphänomens auf der Spur – so eine Pressemitteilung auf der MPI-Webseite.

Um solche Schäden zu vermeiden, werden Bahnschienen regelmäßig abgeschliffen. Gravierender ist die Situation bei Windkraftanlagen, deren Getriebe, wenn sie ähnliche Risse aufweisen, nur mit großem Aufwand gewechselt werden können. Der Schadensmechanismus beschränkt sich aber nicht nur auf diese Beispiele, sondern verursacht in vielen alltäglichen Anwendungen Probleme, von Waschmaschinen, über Klimaanlagen, Lichtmaschinen bis hin zu Kupplungen.

Die Bildung dieser Risse geht auf derart kleinen Skalen vonstatten, dass sie bisher selbst mit den modernsten Mikroskopen nicht untersucht werden konnten. Michael Herbig, Projektgruppenleiter in der Abteilung „Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign“ am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), hat kürzlich eine Methode als möglichen Schlüssel zum Verständnis dieses Schadensmechanismus entwickelt: Durch die Kombination zweier hochmoderner Charakterisierungsmethoden gelang die Messung einzelner Atome inklusive der  Elementart und deren dreidimensionaler Anordnung. Nun fördert das BMBF mit 1,5 Millionen Euro über fünf Jahre die Anwendung dieser Methode zur Untersuchung der weiß anätzenden Risse in den Lagern von Windkraftanlagen.

Herbig plant zuerst dem Problem auf den Grund zu gehen, um in einem weiteren Schritt einen widerstandsfähigen Stahl zu entwickeln. Die bisherigen Erklärungsversuche für die Entstehung der Risse sind vielfältig: Versprödung durch Wasserstoff, Korrosionsermüdung oder das Zusammenwachsen von Hohlräumen im Stahl werden als mögliche Ursachen der Rissbildung verantwortlich gemacht. Wissenschaftlich belegt sind sie nicht.

Bei der Rissbildung in der Praxis wirken viele Effekte gleichzeitig, was das Verständnis erschwert. Mit einer speziell angefertigten Rollkontakt-Ermüdungsmaschine werden Herbig und sein Team den Prozess der Rissbildung unter genau kontrollierten Laborbedingungen nachbilden, einzelne Effekte an- und ausschalten und somit klare Rückschlüsse auf deren Einfluss ziehen. Löst Herbig das Problem der Rissbildung, würde der durch Windkraft produzierte Strom in zweierlei Hinsicht günstiger: Einerseits durch die drastische Verringerung von Wartungskosten und andererseits durch die Möglichkeit größere Windkraftanlagen zu bauen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse über den Schadensmechanismus und Gegenmaßnahmen werden aber nicht nur der Windkraft, sondern auch allen anderen betroffenen Anwendungen zugutekommen.
[note Untersuchung von weiß anätzenden Rissen, illustriert am Beispiel von Bahnschienen. Um den zugrunde liegenden Mechanismus dieser Risse zu verstehen, muss das Phänomen auf allen Längenskalen gemessen werden, von der Bauteilgröße bis hinab zur atomaren Skala. Die Forschungsgruppe von Herbig am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf wird sich in den kommenden fünf Jahren dieser Aufgabe widmen. Basierend auf den neu gewonnenen Erkenntnissen sollen effektive Maßnahmen gegen diesen kostspieligen Schadensmechanismus entwickelt werden – Bild © Michael Herbig, Ankit Kumar, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH]

->Quelle: mpie.de/wecs-herbig