Wer rostet, der kostet

Vom Jahrhundertbauwerk bis zum Strassenschild ist unsere gebaute Umwelt Wind und Wetter ausgesetzt. Doch welche atmosphärischen Einflüsse sind es, vor denen man Neubauten schützen muss? Und wie lässt sich der «Zahn der Zeit» am Weltkulturerbe ausbremsen? Empa-Forschende analysieren die Korrosion von Metall-Bauelementen und arbeiten an einem wirtschaftlichen und nachhaltigen Umgang mit dem grossen Rosten.   Text: Andrea Six

Die gute Nachricht zuerst: Heute ist alles besser. Zumindest, wenn es um Korrosion geht. Was noch in den 1980er Jahren rostete und zerfiel, hält heute länger. Allerdings sind die Herausforderungen, das grosse Rosten aufzuhalten, weiterhin enorm: Auch heute sind es noch mehrere Tonnen Stahl, die jede Sekunde auf der Welt den Weg alles Irdischen gehen und – kostbare Rohstoffe verbrauchend – ersetzt werden müssen. Schätzungsweise drei bis vier Prozent des Bruttoinlandprodukts eines Industrielandes kostet die Korrosion, ein volkswirtschaftlicher Schaden an Brücken, Dächern, Schienen im Milliardenbereich.

Einer, der Ausmass und Entstehung der Korrosion untersucht und daran arbeitet, die gebaute Umwelt zukunftsfähig zu machen, ist der Empa-Forscher Ulrik Hans vom Labor für «Fügetechnologie und Korrosion» in Dübendorf. Und weil Korrosion keine Grenzen kennt, ist er im «ICP Materials» engagiert, kurz für «International Co-operative Program on Effects on Materials including Historic and Cultural Monuments», einem Netzwerk mit mehr als 60 Standorten in Europa und darüber hinaus. In seinem jüngsten Bericht zeigte das Netzwerk den markanten Rückgang der Korrosion basierend auf Langzeitexperimenten auf und publizierte die Ergebnisse im Fachmagazin «Corrosion and Materials Degradation».

Musterland Schweiz
Zur Ursachenforschung und für einen nachhaltigen Schutz von Bauten, die auch in Zukunft noch stehen sollen, liefert Ulrik Hans in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) Daten zur Korrosionsgeschwindigkeit an das «ICP Materials»-Netzwerk. Und so werden an jedem Standort des Netzwerks standardisierte Metallproben ausgelagert, beispielsweise aus wetterfestem Stahl oder aus Titanzink, einem der wichtigsten Dachbaustoffe. «Titanzink ist auf dem Bau beliebt, weil es komplett recyclebar ist. Für den Gebäudeerhalt macht es dabei einen erheblichen Unterschied, ob das Metalldach und die Dachrinnen nach 40 oder erst nach 80 Jahren ersetzt werden müssen», so Hans.

Der Standort in der Schweiz auf dem Chaumont, dem Hausberg der Stadt Neuenburg, ist dabei quasi das Musterbeispiel im «ICP Materials»-Verbund: Die «ausgewilderten» Proben korrodieren praktisch ohne schädliche Einflüsse aus der Umwelt, sondern lediglich aufgrund der rein natürlichen Redoxreaktion von Metall, Wasser und Sauerstoff. Am anderen Ende der Skala befanden sich zu Messbeginn Industriestandorte wie das deutsche Bottrop und das tschechische Kopisty. In Kopisty konnten die Korrosionsforscher im Jahr 1987 ein halbes Kilo Rost von einem Quadratmeter Stahl kratzen. Heute sieht es indes an allen Standorten besser aus. In Industriegebieten gehen pro Jahr zwischen 100 und 150 Gramm Stahl pro Quadratmeter verloren. Auf dem Chaumont rosten zeitgleich gerade mal 30 Gramm. Zink, das weniger stark korrodiert, büsste vor 40 Jahren an Industriestandorten noch rund 15 Gramm pro Quadratmeter ein; heute sind es bei allen Standorten nur noch um die 7 Gramm.

Schadstoffe der Zukunft identifizieren
Beinahe zeitgleich mit dieser erfreulichen Entwicklung, so zeigen es die Daten, ging der Gehalt von Schwefeldioxid in der Luft zurück, einem Schadstoff, der zu Messbeginn in den 1980er Jahren als «saurer Regen» vom Himmel fiel. Mit Spitzenwerten von 460 µg giftigem Schwefeldioxid pro Kubikmeter Luft wurde denn auch im Ruhrgebiet die höchste Smogalarmstufe ausgelöst. Wo Industrieabgase gefiltert werden und Braunkohleheizungen aus der Mode gekommen sind, ist Schwefeldioxid seither kein Problem mehr. In Industriegebieten liegen die Werte heute unter 10 µg/m³, während sie auf dem Chaumont bereits seit 25 Jahren zwischen 0 und 1 µg/m³ pendeln.

Zwar liegt die Korrelation von verminderter Korrosion und abnehmender Schwefeldioxid-Belastung auf der Hand – dennoch verhalten sich die Daten der Forschenden nicht immer entlang dieser Korrelation. «Korrosion ist ein komplexes, multifaktorielles Geschehen, das noch nicht vollständig verstanden ist», sagt Ulrik Hans. «Wir müssen jetzt weitere Schadstoffe identifizieren, die in Zukunft relevanter werden.» So ist beispielsweise noch zu wenig geklärt, inwieweit hohe Ozonwerte moderne Polymerwerkstoffe angreifen und wie Feinstaub die Korrosion begünstigt. Stickoxide und flüchtige Kohlenwasserstoffe sind weitere Parameter, die mitsamt klimatischen Veränderungen die Haltbarkeit der metallischen Infrastruktur beeinflussen könnten.

Modernste Rost-Prognosen
Kennt man die Zusammenhänge besser, lassen sich passende Legierungen, Beschichtungen oder nanometerfeine Passivschichten einsetzen, um die Haltbarkeit etwa von additiv gefertigten oder laserstrukturierten Bauteilen zu gewährleisten. Hinzu kommt eine neue Herausforderung an die heutige Bauwirtschaft, die beim Bau des Kölner Doms oder der Akropolis noch keine Rolle spielte: Heute muss auf einen schonenden Umgang mit vorhandenen Ressourcen geachtet werden.

Damit Entwicklungsprozesse von geeigneten zukunftsfähigen Produkten effizient und nachhaltig ablaufen, analysieren Empa-Forschende neue Materialien bereits in der Entwicklungsphase. Zum Einsatz kommen hier modernste oberflächenanalytischer Techniken wie die Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie oder die Röntgenphotoelektronenspektroskopie, kurz HAXPES. Die einzige Anlage in der Schweiz steht im Labor für «Fügetechnologie und Korrosion» an der Empa. Dank hochenergetischer Strahlung dringt HAXPES tief ins Material ein und erlaubt eine präzise Charakterisierung von Materialien und ihren Korrosionseigenschaften. «Mit den daraus resultierenden aussagekräftigen Korrosionsprognosen lassen sich auch in Zukunft langlebige Bauten effizient erstellen und erhalten», ist Empa-Forscher Hans überzeugt.

Korrodierendes Kulturerbe

Auch am Weltkulturerbe nagt der Zahn der Zeit. Seit 2010 beobachtet das «ICP Materials»-Netzwerk daher 26 UNESCO-Weltkulturerbe-Standorte wie die Altstadt von Bern und den St. Galler Stiftsbezirk. In Fallstudien konnten die Forschenden aufzeigen, dass Luftverschmutzung – und hier vor allem der Strassenverkehr – bis zu 80 Prozent der Kosten zum Erhalt der Gebäude ausmacht. Anhand von Risikobewertungen soll schliesslich kalkulierbar werden, wo die Grenze zwischen natürlicher Alterung eines Kulturdenkmals und dem drohenden Verfall liegt, um Restaurationsarbeiten nach wirtschaftlichen Kriterien einzusetzen. Hierbei werden Daten zur Materialzusammensetzung, Metallkorrosion, Kalkstein-Verwitterung und Schadstoffbelastung der Umgebung hinzugezogen.

 

Metallkorrosion stellt beispielsweise ein Risiko für die Lebensdauer der kupfernen Turmdächer der St. Galler Kathedrale dar, berechneten die Korrosionsforscher. Zunächst muss aber im kommenden Jahr das Ziegeldach der zum UNESCO-Weltkulturerbe gehörenden Kirche restauriert werden. Auch hier war Korrosion am Werk: Die Nägel im 100 Meter langen Dachstuhl sind verrostet. Es werden geschätzte Kosten von knapp acht Millionen Franken anfallen.