Wenn der Rost die Rechnung ändert

Die Luft in Europa ist heute viel sauberer als vor vierzig Jahren. Trotzdem korrodieren Stahl, Zink und andere Metalle weiter. Langzeitmessungen der Empa zeigen, warum die alte Rechnung mit dem Schwefeldioxid nicht mehr aufgeht.

Im Dachstuhl der Kathedrale von St. Gallen sind die Nägel verrostet. Rund hundert Meter lang ist die Konstruktion. Wenn das Ziegeldach im kommenden Jahr saniert wird, müssen auch die korrodierten Nägel zum Teil ersetzt werden. Die veranschlagten Kosten: knapp acht Millionen Franken.

Rost ist selten spektakulär. Er kommt langsam und arbeitet sich oft dort voran, wo man ihn nicht sieht. Für Brücken, Dächer, Schienen oder Fassaden kann er trotzdem teuer werden. In Industrieländern werden die volkswirtschaftlichen Kosten der Korrosion auf mehrere Prozent der Wirtschaftsleistung geschätzt.

Dabei hat sich die Situation in Europa in den vergangenen Jahrzehnten zunächst deutlich verbessert. Das zeigt ein ungewöhnlich langfristiges Messprogramm, an dem auch die Schweizer Empa beteiligt ist. Im Rahmen des internationalen Netzwerks ICP Materials werden seit Jahrzehnten genormte Metallproben an mehr als sechzig Standorten der Witterung ausgesetzt. Gemessen wird unter anderem, wie viel Stahl und Zink dabei verloren gehen.

Einige der Messreihen reichen bis in die achtziger Jahre zurück. Damals sah die Luft in vielen europäischen Industrieregionen anders aus als heute. Im Ruhrgebiet wurden Spitzenwerte von 460 Mikrogramm Schwefeldioxid je Kubikmeter Luft gemessen. Schwefeldioxid trug wesentlich zur Versauerung von Niederschlägen bei und beschleunigte die Korrosion von Metallen.

Heute sind solche Werte Vergangenheit. An den untersuchten Industriestandorten liegen die Schwefeldioxidkonzentrationen meist unter zehn Mikrogramm. Auf dem Schweizer Referenzstandort Chaumont bei Neuenburg bewegen sie sich seit Jahren nahe null.

Auch der Stahl rostet dort langsamer. In Kopisty in Tschechien, einem der früher stark belasteten Standorte, wurden Ende der achtziger Jahre noch deutlich höhere Korrosionsraten gemessen. Heute verlieren Stahlproben an Industriestandorten typischerweise etwa 100 bis 150 Gramm pro Quadratmeter und Jahr. In Chaumont sind es rund 30 Gramm. Der Erfolg des Umweltschutzes lässt sich an solchen Metallstücken beinahe ablesen.

Nur: Die Rechnung geht nicht überall auf.

Denn die Korrosionsraten folgen nicht einfach dem Rückgang des Schwefeldioxids. Bei Zink etwa ist die Abnahme weniger eindeutig; nach den Langzeitmessungen flachte sie ungefähr ab 2014 ab. Für die Forscher ist das ein Hinweis darauf, dass inzwischen andere Einflüsse stärker ins Gewicht fallen.

„Korrosion ist ein komplexes, multifaktorielles Geschehen, das noch nicht vollständig verstanden ist“, sagt Ulrik Hans von der Empa.

Auf der Liste der möglichen Einflussgrößen stehen unter anderem Stickoxide, Ozon und Feinstaub. Hinzu kommen flüchtige organische Verbindungen und meteorologische Bedingungen. Wie feucht eine Oberfläche ist, wie lange sie feucht bleibt und welchen Temperaturen sie ausgesetzt ist, kann für die Korrosion entscheidend sein.

Damit wird auch der Klimawandel für die Materialforschung interessant. Häufigere Wetterextreme und Veränderungen bei Temperatur und Feuchtigkeit könnten beeinflussen, wie schnell Materialien altern. Noch lässt sich daraus allerdings keine einfache neue Formel für die Korrosionsgeschwindigkeit ableiten. Besonders empfindlich ist das kulturelle Erbe. Seit 2010 untersucht das ICP Materials deshalb auch UNESCO-Welterbestätten. Insgesamt wurden 26 Standorte in die Untersuchungen einbezogen, darunter die Altstadt von Bern und der Stiftsbezirk St. Gallen.

Bei den untersuchten Fallbeispielen kann die Luftverschmutzung einen erheblichen Teil der Instandhaltungskosten verursachen. Die Schätzungen liegen je nach Ort und Bedingungen bei etwa 40 bis 80 Prozent. Straßenverkehr und andere lokale Emissionsquellen spielen dabei eine wichtige Rolle. Für ein historisches Gebäude ist das mehr als eine Frage des guten Aussehens. Korrosion kann Bauteile schwächen, Schutzschichten zerstören und Reparaturen erzwingen, die sich über Jahre vorbereiten lassen müssen. Bei einem Dachstuhl, der vor mehr als hundert Jahren gebaut wurde, ist ein rostiger Nagel deshalb nicht einfach ein rostiger Nagel.

Beste Umwelt: Auf dem Chaumont im Kanton Neuenburg findet nahezu «naturnahe» Metallkorrosion statt. Ausgelagerte Metallproben rosten hier – im internationalen Vergleich – kaum. — © Empa

Auch für neue Gebäude stellt sich die Frage nach der Lebensdauer. Ein Werkstoff, der zehn oder zwanzig Jahre länger hält, muss seltener ersetzt werden. Das spart nicht nur Reparaturkosten. Es spart auch Energie und Rohstoffe, die für Herstellung, Transport und Einbau eines Ersatzbauteils benötigt würden.

Die Empa untersucht deshalb bereits bei der Entwicklung neuer Werkstoffe, wie sich deren Oberflächen unter unterschiedlichen Bedingungen verändern. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem hochauflösende spektroskopische Verfahren wie HAXPES, mit denen sich chemische Zustände in Materialschichten untersuchen lassen.

«Ausgewildert»: Metallproben für Korrosionsexperimente in Stockholm. — © «Corrosion and Degradation / ICP Materials», Alice Moya Nunez

Das Ziel ist weniger spektakulär, als es klingt: Man möchte möglichst früh wissen, wie lange ein Material unter realen Bedingungen durchhält. Denn die Zeiten, in denen man Korrosion vor allem mit verschmutzter Luft gleichsetzen konnte, sind vorbei. Schwefeldioxid ist stark zurückgegangen. Der Rost ist geblieben.

Nur seine Ursachen sind schwerer zu lesen.