Stärkeres, wasserstoffbeständiges Aluminiumlegierung enthüllt

Aluminiums Aufstieg: Vom Luxusmetall zum industriellen Grundpfeiler

Einige Metalle haben sich im Laufe der Zeit von einer Seltenheit zu einem Rohstoff entwickelt. Das ist definitiv beim Aluminium der Fall, das erst 1825 in seiner Metallform entdeckt wurde, obwohl es das häufigste Metall in der Erdkruste ist, sogar häufiger als Eisen.

Der Unterschied zu Eisen besteht darin, dass Aluminium extrem schwer zu veredeln ist und sehr hohe Temperaturen erfordert. Infolgedessen war es zunächst kostbarer als Gold und wurde nur als Luxusmetall für Schmuck und Besteck verwendet.

Napoleon soll ein Bankett ausgerichtet haben, bei dem die am meisten geehrten Gäste Aluminiumbesteck erhielten, während andere mit Gold auskommen mussten.

Als bessere industrielle Verfahren erfunden wurden, wurde es zum bevorzugten Metall für korrosionsbeständige Anwendungen sowie für alles, bei dem das geringe Gewicht eine Schlüsselrolle spielt, etwa in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Heute ist es auch ein beliebtes Metall für 3D‑Druck‑Anwendungen.

Trotzdem können Aluminiumlegierungen dank besserer nanoskaliger Strukturen wahrscheinlich weiter verbessert werden.

Genau das haben Forscher der Xi’an Jiaotong University, Shanghai Jiao Tong University, Lanzhou University, Shandong University, Hebei University of Technology, Kyushu University (Japan), Imperial College (UK) und des Max‑Planck‑Instituts (Deutschland) entdeckt.

Sie entwickelten eine neue Art von Aluminiumlegierung mit einer um 40 % höheren Festigkeit und einer fünfmal höheren Wasserstoffbeständigkeit, was den Weg für neue Anwendungen von Aluminium in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft ebnet.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature¹ unter dem Titel “Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”.

Die Rolle von Aluminium in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft

Sobald die Menschheit herausgefunden hatte, wie man ausreichend hohe Temperaturen zum Schmelzen von Aluminium erzeugt, wurde es zu einem sehr wichtigen Industriemetall. Das liegt daran, dass es gleichzeitig leicht, stark und korrosionsbeständig ist.

Quelle: Erect a Step

Es ist zudem überlegen gegenüber Stahl in Bezug auf die Zerspanbarkeit, also die Leichtigkeit, mit der es mit Werkzeugmaschinen bearbeitet werden kann.

Schließlich ist Aluminium ein deutlich besserer Leiter für Wärme und Elektrizität und wird tatsächlich in Hochspannungs‑Stromleitungen verwendet, wobei Kupfer nur für die lokalen elektrischen Verbindungen zum Einsatz kommt.

Es wird auch häufig in Rohren und Tanks eingesetzt. Allerdings schneidet es in dieser Rolle beim Speichern und Transportieren von Wasserstoff schlecht ab. Wird es Wasserstoff ausgesetzt, leidet es unter einem Vorgang, der als „Versprödung“ bezeichnet wird und zu Rissen und Ausfällen führt.

 Verständnis der Wasserstoffversprödung in Metallen

Wasserstoffversprödung ist ein Phänomen, das entsteht, wenn Metall Wasserstoffatome aufnimmt, wodurch die Duktilität des Metalls – also seine Fähigkeit, sich vor dem Brechen zu biegen – reduziert wird.

Sie tritt bei Stählen, Eisen, Nickel, Titan, Kobalt und deren Legierungen auf. Kupfer, Aluminium und rostfreie Stähle sind weniger anfällig für Wasserstoffversprödung, leiden jedoch ebenfalls darunter.

Der Riss bildet sich meist um das Korn der metallischen Verbindungen, da dort die Wasserstoffatome eindringen und die Duktilität verringern.

Quelle: MTC Solutions

Dies ist ein wiederkehrendes Problem für die Entwicklung einer potenziellen Wasserstoffwirtschaft, da herkömmliche Methoden zum Bau von Pipelines, Tanks und Ventilen mit dem sehr realen Problem schneller Degradation und Leckbildung konfrontiert sind.

Dies stellt ein Problem für den Aufbau der Infrastruktur dar, die für die massenhafte Einführung von Wasserstoff als Brennstoff erforderlich ist.

Durchbruch‑Legierung: Scandium‑verbessertes Aluminium

Scandium hinzufügen

Um Wasserstoffversprödung zu reduzieren, ist die beste Lösung, dass andere Elemente den Wasserstoff absorbieren und das Aluminiummetal dadurch schützen. Die Forscher nutzten ein Verfahren zur Erzeugung von Aluminium‑Scandium‑Nanopräzipitaten (Al3Sc).

Scandium ist ein Seltenerd‑Element, dessen einzige größere Anwendung in Aluminiumlegierungen liegt. Die Atom‑Probe‑Tomographie (APT) zeigte, dass eine normale Aluminium‑Magnesium‑Legierung eine durchschnittliche Korngröße von 200 µm hat. Im Gegensatz dazu hat die Aluminium‑Magnesium‑Scandium‑Legierung eine durchschnittliche Korngröße von nur 100 µm.

Quelle: Nature

Auf diesen Präzipitaten bildet sich eine hochkomplexe 3‑D‑Struktur aus Aluminium‑Magnesium‑Scandium (Al3(Mg,Sc)2). Es scheint, dass das Scandium die Struktur stabilisiert und eine äußere Schale aus Magnesium‑Scandium bildet, die das Aluminiumkorn in der Legierung umhüllt.

Quelle: Nature

Diese beiden Nanopräzipitate sind im gesamten Legierungsmaterial verteilt und übernehmen zwei zentrale Aufgaben: Die Al3(Mg,Sc)2‑Phase fängt Wasserstoff ein und erhöht die Wasserstoffbeständigkeit, während die feinen Al3Sc‑Partikel die Festigkeit steigern.

 Steigerung von Festigkeit und Dauerhaftigkeit mit Al₃(Mg,Sc)₂

Die neu erfundene Legierung weist eine um 80 % höhere Streckgrenze (etwa 100 MPa) auf, also die maximale Spannung, die vor einer bleibenden Formänderung angewendet werden kann.

Allerdings hat sie auch 20 % weniger gesamte Zugdehnung, also die Länge, um die das Material gedehnt werden kann, bevor es bricht, im Vergleich zu einer scandiumfreien Legierung.

Zusätzlich ist die Einwirkung von Wasserstoff viel weniger schädlich, sodass selbst das wasserstoffgeladene Aluminium‑Magnesium‑Scandium‑Material stärker ist als das wasserstofffreie normale Aluminium‑Magnesium‑Material.

Quelle: Nature

Insgesamt lässt sich das als eine 40 %ige Steigerung der Festigkeit und eine fünffache Verbesserung der Wasserstoffversprödungsbeständigkeit gegenüber scandiumfreien Legierungen zusammenfassen.

„Unsere neue Design‑Strategie löst dieses typische Trade‑off‑Problem. Wir müssen nicht mehr zwischen hoher Festigkeit und Wasserstoffbeständigkeit wählen – diese Legierung liefert beides.“

Prof. Baptiste Gault – Leiter der Gruppe „atom probe tomography“ am MPI‑Susmat

Wissenschaftliche Validierung der Wasserstoffbeständigkeit

Spätere Analysen mit Elektronenmikroskopie und Computer‑Modellierung untersuchten genauer, wie das funktioniert.

Die Elektronenmikroskopie zeigte anschaulich, dass die Wasserstoffatome tatsächlich in denselben Bereichen akkumulieren, die reich an Scandium sind, und damit den direkten Zusammenhang zwischen Scandium und dem Schutz des Aluminiums vor Wasserstoffaufnahme und Versprödung belegt.

Quelle: Nature

Ein Computer‑Modell wurde ebenfalls entwickelt, um zu theoretisieren, wie die Nanostrukturen entstehen. Es scheint darauf hinzudeuten, dass die neu entdeckte Legierung alle bekannten intermetallischen Verbindungen und Kristalldefekte, die bisher experimentell berichtet oder theoretisch vorhergesagt wurden, in Aluminiumlegierungen übertrifft.

Quelle: Nature

Skalierbare Lösungen für den industriellen Einsatz

Diese Methode wurde von den Forschern auch mit verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungen getestet.

Sie demonstrierten zudem die Skalierbarkeit, indem sie wassergekühlte Kupfer‑Form‑Guss‑ und thermomechanische Verarbeitungsverfahren einsetzten, die den aktuellen industriellen Standards entsprechen.

Dies sollte die Basis für eine zukünftige Generation von Aluminium‑Materialien bilden, die auf die Anforderungen einer wasserstoffbetriebenen Zukunft zugeschnitten sind: stärker, sicherer gegenüber Versprödungsrisiken und bereit für den industriellen Maßstab.

Investitionen in die Aluminiumindustrie

Alcoa: Ein wichtiger Akteur in der Aluminium‑Innovation

Alcoa ist ein globales Aluminiumunternehmen mit Präsenz auf der ganzen Welt und entlang der gesamten Aluminium‑Lieferkette, von Bauxit‑Erz bis zum Aluminium‑Metall sowie Alumina (dem Zwischenprodukt zwischen Bauxit und Aluminium).

Quelle: Alcoa

Das Unternehmen betreibt 41,3 Mdmt (Millionen Trocken‑Metriktonnen) Bauxit‑Operationen im Jahr 2024 und sendet 85 % seiner Lieferungen an Alcoa‑Raffinerien.

Nur 32 % der 13,2 Mt produzierten Alumina werden an Alcoa‑Gießereien weitergeleitet, die 2024 2,6 Millionen Tonnen Aluminium produzierten; der Rest wird an Dritte verkauft.

Quelle: Alcoa

Das Unternehmen stellt Aluminium in verschiedenen Formen her, um den Anforderungen vieler unterschiedlicher Fertigungsindustrien gerecht zu werden.

Quelle: Alcoa

Insgesamt ist die Aluminiumproduktion ein sehr energieintensiver Prozess, der direkt Strom für das Schmelzen, Öl für den Bergbau, Kohle zur Bereitstellung von Kohlenstoff im Schmelzprozess sowie energieintensive Materialien wie ätzende Chemikalien verbraucht.

Trotzdem hat Alcoa erhebliche Anstrengungen unternommen, seinen CO₂‑Fußabdruck zu reduzieren, und ist dank seiner Wasserkraftanlagen ein Branchenführer bei den CO₂‑Emissionen. Zudem bietet das Unternehmen die Produktlinie Alcoa Sustana an, die reduzierte CO₂‑Emissionen und einen höheren Anteil recycelten Metalls aufweist.

Quelle: Alcoa

Zölle könnten das Unternehmen treffen, da Anlagen in Kanada und Brasilien (unter anderem) hohen Zöllen ausgesetzt sein werden, um in die USA zu exportieren. Das Unternehmen verfügt jedoch auch über Produktionsstätten in den USA, und der Wert von in‑Land‑produziertem Aluminium ist entsprechend gestiegen, was die Rentabilität der amerikanischen Gießereien von Alcoa steigern sollte.

Quelle: Alcoa

Insgesamt ist Alcoa eine solide Wette auf die anhaltende Beliebtheit von Aluminium für die fortschrittliche Fertigung, Luft‑ und Raumfahrt sowie das Stromnetz – Sektoren, in denen die Nachfrage in den kommenden Jahren voraussichtlich weiter steigen wird.

Neueste Alcoa (AA) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studien zitiert:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys. Nature 641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}