Faserverbundstoffe – sprich Composites – haben im Vergleich zu Metallen einen wesentlichen Vorteil: das geringe Gewicht. Dieser Aspekt spielt vor allem bei Anwendungen der Luft- und Raumfahrt oder bei Automotive eine große Rolle, um sehr leichte Wasserstofftanks zu entwickeln. So sind im Bereich Luft- und Raumfahrt beispielsweise Anwendungen von flüssigem Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen interessant – etwa durch die effizientere Speicherdichte. Im Bereich Automotive hingegen setzt die Industrie verstärkt auch auf Behälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei hohen Drücken.

Werkstoffe charakterisieren, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen

Wasserstoff wird bei Temperaturen von 20 K (–253 °C) flüssig und ist in diesem Zustand – für eine hohe Speicherdichte – leichter zu handhaben als unter Druck. Daher ist es wichtig, Werkstoffe zu charakterisieren, die einerseits dem Wasserstoff ausgesetzt sind (Metalle) und andererseits den Temperaturen (Composites/Kunststoff). In statischen Zug-, Druck- oder Scherbelastungsprüfungen werden die Werkstoffe bei Tiefsttemperaturen bis 20 K geprüft. So lässt sich ihr ermüdungs- und bruchmechanisches Verhalten im kryogenen Umfeld ermitteln. "Bei Betankungsvorgängen werden die Composite-Wandungen von Tanks beispielsweise großen thermischen Schwankungen und wechselnden Drücken ausgesetzt, die zu Belastungen der Materialien führen", erklärt Stefan Pubantz, Projekt Manager Kryo- und Wasserstofftechnologie bei ZwickRoell. "Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten faserverstärkter Kunststoffe und bereits im Herstellungsprozess eingefrorener Spannungen können Mikrorisse im Werkstoff entstehen, die wiederum zu Undichtigkeiten führen. Daher spielt die Permutationsprüfung zu den genannten Prüfungen eine weitere große Rolle."

Wasserstoffspeicherung: drei Möglichkeiten für hohe Effektivität

Neben der chemischen Bindung gibt es die Speicherung unter bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen. Hierzu gibt es drei Möglichkeiten einer besonders effektiven Wasserstoffspeicherung, aus denen sich die Anforderungen für unterschiedliche Tanktypen ergeben, die ausschlaggebend sind für die zu wählenden Prüfparameter. Erstens: Im flüssigen Zustand bei Drücken bis 4 bar im Bereich der Verflüssigung von Wasserstoff bei 20 K. Zweitens im Druckbereich von 250 bis 700 bar bei Raumtemperatur sowie drittens im Druckbereich von 500 bis 1000 bar zwischen 33 und 73 K. Um Faserverbundwerkstoffe im kryogenen Umfeld zu prüfen, bietet ZwickRoell mehrere Optionen.

Option 1: Kühlung mit Temperierkammer

Für Prüfungen bei erhöhten Temperaturen sowie Tiefsttemperaturen bis etwa –170 °C eignen sich Temperierkammern. Dabei ist die Tieftemperatur abhängig vom gekühlten Volumen in der Kammer sowie des Volumens der Prüfgestänge, die in die Temperierkammer hineinragen. In der Ausführung mit Temperierkammer werden die Gestänge von oben und unten in die Temperierkammer eingeführt.

Option 2: Kühlung mit Stickstoff Tauchkryostat

Bei Stickstoff-Tauchkryostaten wird die Composite-Probe in ein Stickstoffbad getaucht. Tauchkryostate sind in ihrem Prüftemperaturbereich auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs reduziert. Die Proben werden über ein in sich geschlossenes Lastjoch samt Probenhalter von oben in den Tauchkryostat eingeführt. Sobald der Versuch abgeschlossen ist, wird der Stickstoff in der Regel entleert oder verdampft in die Atmosphäre.

Option 3: Kühlung mit Stickstoff und Helium in einem Durchflusskryostat

Stickstoff-, Helium-Durchflusskryostate werden je nach Kühlmedium von Raumtemperatur bis Tiefsttemperaturen von rund 20 K betrieben. Dabei ist es entscheidend, die Volumina und die Körper, die in den Kryostat hineinragen, auf das Wesentliche zu reduzieren. Die Formel lautet: Je weniger (Metall-)Volumen aus dem Durchflusskryostat herausragt, desto tiefere Temperaturen lassen sich erreichen. Aus Kostengründen werden Durchflusskryostate mit Stickstoff vorgekühlt. Ist die tiefstmögliche Temperatur des Stickstoffs erreicht, wird mit Helium aus einem Dewargefäß nachgekühlt bis die Endtemperatur von 10 bis 20 K erreicht ist. Um die Probe ist immer Helium das Umgebungsmedium. Aufgrund der Kosten ist es möglich, das Gas aufzufangen und entweder zu komprimieren oder wieder zu verflüssigen. Diese zwei Lösungen sind bei Bedarf im Gesamtprojekt mit einzukalkulieren. Als Sondervariante lassen sich ZwickRoell-Durchflusskryostate auch mit Wasserstoff betreiben. Hierbei ist Wasserstoff das Umgebungsmedium um die Probe. Die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen im Umgang mit Wasserstoff vorausgesetzt, bedarf es für den Betrieb des Durchflusskryostats nur weniger technischer Anpassungen.

Einsatz in statischen und dynamischen Prüfmaschinen

ZwickRoell bietet die drei genannten Temperiereinrichtungen sowohl für statische als auch dynamische Prüfmaschinen. Dabei gilt: Je tiefer die Temperatur, desto komplexer der mechanische Aufwand. Damit die Kosten etwa für das Kühlmittel überschaubar bleiben und um einen möglichst geringen Temperaturgradienten über metallische Durchführungen zu erhalten, empfiehlt es sich, darauf zu achten, dass die zu kühlenden Massen – wie Probenhalter sowie die Durchführungen – ein geringstmögliches Volumen haben. Außerdem sollte die maximale Prüfkraft so gering wie möglich sein. Denn im Unterschied zur Prüfung bei Raumtemperatur haben großzügig gewählte Abmessungen hohe Kosten zur Folge und wirken sich auf die erreichbare Tiefsttemperatur aus, die Temperatur-Regelbarkeit und letztlich auf sichere und reproduzierbare Prüfergebnisse. Die Regel "so viel wie nötig" kommt in diesem Fall besonders zum Tragen und muss bereits in der Projektierungsphase der Anlage besonderes betrachtet werden. Die Tieftemperatur-Prüfanlagen im ZwickRoell-Produktportfolio haben eine Maximallast von 100 kN.