Das Rätsel um den kathodischen Korrosionsschutz geklärt

Korrosion ist eine chemische Reaktion, der selbst die st?rksten Strukturen zum Opfer fallen: Metalle wie etwa Stahl reagieren mit Sauerstoff und Wasser, rosten und zerfallen. Im Kampf gegen Korrosion ist der kathodische Korrosionsschutz eine wichtige Waffe. Diese Methode sch¨¹tzt Stahlstrukturen, indem sie die Vorg?nge, die zur Korrosion f¨¹hren, verlangsamt oder verhindert.

Der kathodische Korrosionsschutz wurde vor zwei Jahrhunderten in England zum ersten Mal auf einer wissenschaftlichen Grundlage beschrieben und leistet seither wertvolle Dienste beim Erhalt moderner Infrastruktur wie erdvergrabener Gasleitungen und Stahlbetonkonstruktionen. ?Doch trotz der weiten Verbreitung blieb der grundlegende Funktionsmechanismus des kathodischen Schutzes bislang unklar und umstritten?, sagt Ueli Angst, Professor f¨¹r Dauerhaftigkeit von Werkstoffen an der ETH Z¨¹rich.

Ein Forscherteam unter Angsts Leitung hat nun bei der Kl?rung des Wirkprinzips bedeutende Fortschritte gemacht, insbesondere bei Stahl in por?sen Medien wie Boden oder Beton.

Ihre in der Zeitschrift Communications Materials des Nature Portfolios erschienene externe Seite Studie beleuchtet die komplexen Prozesse, die beim kathodischen Korrosionsschutz an der Grenzfl?che zwischen Metall und por?sem Medium ablaufen. Um das Zusammenspiel zu illustrieren, lohnt sich ein Blick auf die Geschichte der Methode.

Das Prinzip entstand vor zweihundert Jahren

Der kathodische Korrosionsschutz geht auf den britischen Chemiker und Erfinder Sir Humphry Davy zur¨¹ck, der das Prinzip vor etwas mehr als zwei Jahrhunderten beschrieb. Die Royal Navy sah sich damals mit einem Problem konfrontiert: Sie hatte die h?lzernen R¨¹mpfe ihrer Schiffe mit Kupferblech verkleidet, um Bewuchs und F?ulnis zu vermeiden ¨C doch die kupfernen H¨¹llen wurden im salzigen Meerwasser rasch durch Korrosion angegriffen und zersetzt. Sir Humphry Davy, damals Pr?sident der Royal Society, nahm sich der L?sungssuche im Namen der Wissenschaft an.

In Norditalien hatten Luigi Galvani und Alessandro Volta unl?ngst das Ph?nomen entdeckt, dass elektrischer Strom fliesst, wenn man verschieden edle Metalle miteinander verbindet. Im Labor konnte Davy zeigen, dass kleine Mengen unedler Metalle wie Zink oder Eisen relativ grosse Kupferbleche vor Korrosion sch¨¹tzen k?nnen, namentlich indem sie als Opferanode wirken und selbst korrodieren.

1824 wendete die Royal Navy die Technik von Davy nahezu direkt aus dem Labor auf ihre gesamte Flotte an ¨C zu voreilig, wie sich zeigte. Die Kupferh¨¹llen waren nun zwar vor Korrosion gesch¨¹tzt, sie verloren jedoch ihre Wirkung gegen marinen Bewuchs: Die Schiffe wurden immer schwerer und kaum mehr man?vrierbar. Die Royal Navy musste den kathodischen Korrosionsschutz wieder entfernen, und Davy¡¯s Episode ging als ein bedeutsames Lehrst¨¹ck des Scheiterns aufgrund voreilig in die Praxis ¨¹bertragener Erkenntnisse in die Geschichte ein.

?Heute wissen wir, dass der kathodische Schutzstrom als Nebeneffekt die Ablagerung von Mineralien auf dem Kupfer bewirkt, was den Bewuchs mit Muscheln und anderen Meeresorganismen erlaubt?, erz?hlt Angst. Trotz des Scheiterns vor zwei Jahrhunderten hatte Davy mit seiner Arbeit die Grundlage f¨¹r sp?tere Anwendungen gelegt.

Zwei Hypothesen zur Funktionsweise

Es dauerte jedoch noch rund hundert Jahre, bis Robert James Kuhn die Technologie in den USA zum Einsatz brachte, diesmal um erdvergrabene Rohrleitungen dauerhaft zu machen. Aus Kuhn¡¯s Notizen geht hervor, dass er bereits in den 1920er Jahren ¨¹ber ein deutlich besseres Verst?ndnis der Korrosionsprozesse verf¨¹gte, als dies noch zu Davy¡¯s Zeiten der Fall war. Ausserdem f¨¹hrte Kuhn umfangreiche Testreihen ?im Feld?, also unter reellen Bedingungen, durch.

Seither hat sie sich die Technologie zu einer Standardmethode f¨¹r den Korrosionsschutz entwickelt und verleiht heute insbesondere Wasser- und Gasleitungen, Tanks und Schiffen, aber auch Br¨¹cken und Parkh?usern ein l?ngeres und korrosionsfreies Leben.

Doch trotz der weiten Verbreitung in der Ingenieurpraxis werden die zugrunde liegenden Wirkmechanismen des kathodischen Korrosionsschutzes immer noch kontrovers diskutiert.

Seit Jahrzehnten stehen sich zwei Lager mit gegens?tzlichen Theorien gegen¨¹ber: Einerseits gibt es die Ansicht, dass der Schutzstrom direkt die Geschwindigkeit der Korrosion beeinflusst. Andererseits existiert die Hypothese, dass der Schutzstrom zu einem Anstieg des pH-Werts im Medium an der Grenzfl?che f¨¹hrt, was den Stahl vor Korrosion sch¨¹tzt ¨C ein Gedanke, den Kuhn bereits 1928 erstmals postulierte.

Gem?ss Angst behindert das mangelnde wissenschaftliche Verst?ndnis die Entwicklung fundierter ingenieurtechnischer Praktiken. Als Beispiel kann das von Kuhn in den 1920er Jahren postulierte Schutzkriterium dienen, das bis heute in Normen steht und ein Potenzial von -850 Millivolt gegen¨¹ber der ges?ttigten Kupfersulfatelektrode fordert: ?Es handelt sich hierbei um ein empirisches Kriterium?, sagt Angst.

Der inkonsistente Sachstand f¨¹hrt auch dazu, dass sich Normen widersprechen, und es in der Praxis nicht immer m?glich ist, alle relevanten Normvorgaben gleichzeitig zu erf¨¹llen. ?Dies ist umso bedenklicher, als dass der kathodische Korrosionsschutz als Schl¨¹sseltechnologie f¨¹r die Infrastruktur betrachtet werden kann und dass er bei sicherheitsrelevanten Anlagen wie etwa Hochdruckgasleitungen zum Einsatz kommt?, so Angst weiter.

Ein vereinigender Mechanismus

F¨¹r ihre Studie fokussierten die ETH-Forschenden auf die Grenzfl?che zwischen Stahl und Elektrolyt und charakterisierten die r?umlichen und zeitlichen Ver?nderungen detailliert.

So konnten sie erstmals ¨¹berhaupt die Bildung eines hauchd¨¹nnen Metalloxidfilms auf der Stahloberfl?che nachweisen und zeigen, dass diese Schicht eine direkte Folge des Anstiegs des pH-Werts aufgrund der ablaufenden elektrochemischen Prozesse ist.

Federico Martinelli-Orlando, Erstautor der Studie, erg?nzt: ?Ausserdem konnten wir zeigen, dass diese chemischen Ver?nderungen auf der Stahloberfl?che und im Elektrolyt wiederum zu ver?nderten Geschwindigkeiten und Verl?ufen der anodischen und kathodischen Reaktionen f¨¹hren.?

Die ETH-Forscher schlagen einen Wirkungsmechanismus vor, der die scheinbaren Widerspr¨¹che zwischen fr¨¹heren Hypothesen aufl?st und beide Theorien komplement?r zusammenf¨¹hrt.

?Wir kommen zum Schluss, dass wir diese beiden Theorien eher als Erg?nzung denn als Widerspruch zueinander betrachten sollten, um den Wirkmechanismus des kathodischen Korrosionsschutzes vollst?ndig zu erkl?ren?, sagt Federico Martinelli-Orlando.

Auf der Basis der durchgef¨¹hrten Messungen haben die Forscher ein Wirkmodell entwickelt, das s?mtliche elektrochemischen Vorg?nge ber¨¹cksichtigt.

Widerspruchsfreie Normen

Das erlangte konsistente Verst?ndnis kann dazu beitragen, Korrosionsschutztechnologien zu verbessern und kritische stahlbasierte Infrastrukturen sicher, wirtschaftlich und umweltfreundlich zu betreiben.

So k?nnen die Resultate bestehende, empirische Konzepte nachtr?glich ?validieren? und die Grundlage f¨¹r widerspruchsfreie Ans?tze bilden, etwa um fundierte Norm-Kriterien f¨¹r die Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzes zu entwickeln.

Wissenschaftlich abgest¨¹tzte Technologien f¨¹r den Korrosionsschutz spielen aktuell insbesondere im Kontext der alterndern Infrastruktur eine wichtige Rolle, da sie den Ersatz von alten Bauwerken hinausz?gern oder verhindern k?nnen. ?Wenn wir unn?tige R¨¹ck- und Ersatzbauten vermeiden, kommt das schliesslich auch der Umwelt zugute?, sagt Angst.

Die aktuelle Publikation in Communications Materials ist Teil eines gr?sseren Forschungsprojektes zu Korrosion und alternder Infrastruktur das im Rahmen des Forschungsprogramms Horizon2020 des European Research Councils (ERC) unterst¨¹tzt wurde (externe Seite weitere Informationen).