Das Platin-Rätsel

Presseaussendung der TU Wien vom 04.04.2022

An der TU Wien konnte erklärt werden, wie eine chemische Reaktion abläuft, die nach bisheriger Sichtweise bei den beobachteten Temperaturen gar nicht möglich sein sollte.

Was passiert, wenn eine Katze auf eine Sonnenblume klettert? Die Sonnenblume ist nicht stabil, sie wird sich rasch nach unten verbiegen, und die Katze ist wieder auf dem Boden. Wenn die Katze aber nur einen raschen Zwischenschritt benötigt, um von dort aus einen Vogel zu erwischen, dann kann die Sonnenblume als „metastabiler Zwischenschritt“ den entscheidenden Unterschied machen. Genau diesen Mechanismus kann man beobachten, wenn einzelne Atome eines Katalysators Moleküle einfangen, um sie dann chemisch umzuwandeln.

Schon vor Jahren hatte man festgestellt, dass Platin-Katalysatoren, die man zur Oxidation von Kohlenmonoxid verwendet, bei Temperaturen aktiv sind, bei denen sie nach bisher gängiger Sichtweise eigentlich noch gar keinen Effekt zeigen dürften. Ein Forschungsteam der TU Wien konnte mit Hilfe von Mikroskop-Aufnahmen auf atomarer Skala und aufwändigen Computersimulationen nun zeigen: Das lässt sich erklären, wenn man berücksichtigt, dass sowohl der Katalysator selbst als auch das Material, auf dem er verankert ist, für kurze Zeit metastabile Zustände annehmen. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Science Advances“ publiziert.

Einzelne Atome als Katalysatoren

In der Forschungsgruppe von Prof. Gareth Parkinson am Institut für Angewandte Physik der TU Wien untersucht man die kleinsten Katalysatoren, die überhaupt möglich sind: Einzelne Platin-Atome werden auf einer Eisenoxid-Oberfläche platziert. Sie kommen dann in Kontakt mit Gas, das Kohlenmonoxid enthält und wandeln das giftige Kohlenmonoxid in Kohlendioxid um.

„Dieser Vorgang ist technisch sehr wichtig, was dabei aber auf atomarer Ebene genau geschieht, war bisher nicht klar“, sagt Gareth Parkinson. „In unserer Forschungsgruppe untersuchen wir solche Prozesse auf verschiedene Arten: Einerseits erzeugen wir in einem Rastertunnelmikroskop extrem hochauflösende Bilder, auf denen man die Bewegung einzelner Atome studieren kann. Und andererseits analysieren wir den Vorgang mit Computersimulationen.“

Ob die Platin-Atome als Katalysator aktiv sind, hängt von der Temperatur ab. Im Experiment wird der Katalysator langsam und gleichmäßig erwärmt, bis die kritische Temperatur erreicht ist, und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umgewandelt wird. Diese Schwelle liegt bei ungefähr 550 Kelvin (rund 277°C). „Das passte aber nicht zu unseren ursprünglichen Computersimulationen“, sagt Matthias Meier, der Erstautor der aktuellen Publikation. „Nach der Dichtefunktionaltheorie, die man normalerweise für solche Berechnungen verwendet, sollte der Prozess erst bei 800 Kelvin stattfinden. Wir wussten also: Irgendetwas Wichtiges hatte man hier bisher übersehen.“

Ein Kurzzeit-Zustand: Nicht stabil, aber wichtig

Mehrere Jahre hindurch sammelte das Team in verschiedenen anderen Forschungsprojekten umfangreiche Erfahrung mit ähnlichen Materialien, dadurch ergab sich Schritt für Schritt ein neues Bild: „Mit der Dichtefunktionaltheorie berechnet man normalerweise jenen Zustand des Systems, der die niedrigste Energie hat“, sagt Matthias Meier. „Das ist auch sinnvoll so, denn das ist der Zustand, den das System am häufigsten annimmt. Doch in unserem Fall gibt es einen zweiten Zustand, der eine zentrale Rolle spielt: Einen sogenannten metastabilen Zustand.“

Sowohl die Platin-Atome als auch die Eisenoxid-Oberfläche können zwischen unterschiedlichen Atomanordnungen hin- und her wechseln. Der Grundzustand, mit der niedrigsten Energie, ist stabil. Wenn das System in den metastabilen Zustand wechselt, kehrt es nach kurzer Zeit unweigerlich wieder in den Grundzustand zurück – wie die Katze, die auf einer instabilen Sonnenblume nach oben gelangen will. Doch bei der katalytischen Umwandlung von Kohlenmonoxid genügt es, dass sich das System für kurze Zeit im metastabilen Zustand befindet: So wie der Katze vielleicht ein kurzer Moment in einem wackeligen Kletterzustand genügen, um mit der Pfote einen Vogel zu erwischen, kann der Katalysator im metastabilen Zustand Kohlenmonoxid umwandeln.

Zwei Platin-Atome, die sich auf der Eisenoxid-Oberfläche gemeinsam genau an der richtigen Stelle anlagern, halten je ein Kohlenmonoxid-Molekül fest. Das Eisenoxid kann im metastabilen Zustand genau an dieser Stelle seine atomare Struktur ändern, es gibt ein Sauerstoffatom frei, das sich mit einem der Kohlenmonoxid-Moleküle zu Kohlendioxid verbindet, das dann augenblicklich davonfliegt – der Katalyseprozess ist somit abgeschlossen. „Wenn wir diese bisher nicht berücksichtigen Kurzzeit-Zustände in unsere Computersimulation mit einbauen, dann kommen wir genau auf das Ergebnis, das auch im Experiment gemessen wurde“, sagt Matthias Meier.

„Unser Forschungsergebnis zeigt, dass man in der Oberflächenphysik oft viel Erfahrung braucht“, sagt Gareth Parkinson. „Hätten wir nicht im Lauf der Jahre ganz unterschiedliche chemische Prozesse studiert, hätten wir dieses Rätsel wohl nie gelöst.“ In letzter Zeit wird auch künstliche Intelligenz mit großem Erfolg für die Analyse quantenchemischer Prozesse verwendet – doch in diesem Fall hätte das wohl keinen Erfolg gebracht, ist Parkinson überzeugt. Um auf kreative Lösungen außerhalb des bisher für möglich gehaltenen zu kommen, braucht man wohl doch den Menschen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Meier et al., CO oxidation by Pt2/Fe3O4: metastable dimer and support configurations facilitate lattice oxygen extraction. Sci. Adv. 8, eabn4580 (2022).

Externer Link: www.tuwien.at

Geklebte Verbundbauteile aus Holz und Beton für den Brückenbau

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 13.04.2022

Verbundbaueile aus Holz und Beton kombinieren die Vorteile beider Werkstoffe: Leichtigkeit, Biegsamkeit und Nachhaltigkeit von Holz mit Druckfestigkeit und Tragfähigkeit von Beton. Sie großflächig und durchgängig aneinanderzufügen ist in der Praxis jedoch eine Herausforderung. Jetzt haben Forschende des Fachgebiets Bauwerkserhaltung und Holzbau der Uni Kassel die Herstellung von Holz-Beton-Tragwerken für den Brückenbau mithilfe von Klebstoffen vereinfacht und in Belastungstests erprobt.

Holz-Beton-Verbundkonstruktionen werden im Hoch- und Brückenbau als ressourcenschonendes Baumaterial eingesetzt. Die gängigen Herstellungsverfahren nutzen metallische Verbindungen wie Schrauben oder Bolzen, wodurch in jedem Fall der Einsatz von Ortbeton erforderlich ist. Darauf verzichten Forschende des Fachgebiets Bauwerkserhaltung und Holzbau der Uni Kassel. Sie konnten stattdessen beweisen, dass es mit hochgefüllten Epoxidharzklebstoffen oder sogenanntem Polymermörtel möglich ist, großflächig verklebte Bauteile von mehreren Metern Länge herzustellen, die zudem für den Einsatz als Schwerlast-Brücken geeignet sind. „Die Klebetechnik bietet gegenüber herkömmlichen Verbindungsmittelmethoden viele Vorteile hinsichtlich der Tragfähigkeit und der Biegesteifigkeit. Besonders vorteilhaft ist an dieser Konstruktionsart zudem der Einsatz vorgefertigter Stahlbetonfertigteile zu nennen. Diese sind einfach handzuhaben, müssen auf der Baustelle nicht aushärten und sind in der Gesamtbetrachtung damit oftmals günstiger als herkömmliche Baumethoden“, beschreibt Jens Frohnmüller, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets.

Bei den Versuchen zeigte sich auch, dass der neuartige Polymermörtel aufgrund seiner Zähigkeit beim Auftragen auf die Holzbalken besser zu handhaben ist als gängige Epoxidharzklebstoffe und auch Unebenheiten an den Oberflächen der Werkstoffe besser überbrücken kann. Zudem wird der Klebstoff nicht flächig, sondern in Streifen aufgetragen. So kann die Klebefläche an die auftretende Beanspruchung angepasst werden.

In Belastungstest hielten die Verbundbalken mit einer Spannweite von 8m einer Last von bis zu 446 Kilonewton stand. „Umgerechnet sind das etwa 45 Tonnen, also kann eine Brücke aus diesem geklebtem Holz-Beton-Verbund einen voll beladenen Schwerlasttransporter aushalten – oder etwa 30 VW-Golfs gleichzeitig“, erklärt Jens Fronmüller. Der Klebeverbund blieb bis zum endgültigen Versagen des Trägers immer vollständig erhalten. Für das endgültige Versagen war entweder ein Zugversagen des Holzes oder ein Druckversagen des Betons verantwortlich.

Darüber hinaus konnten die Forschenden zwei Berechnungsmodelle validieren. Mit diesen lassen sich alle wichtigen Eigenschaften der Verbundträger, insbesondere die konkrete Tragfähigkeit und das Verformungsverhalten vorhersagen. „Die Ergebnisse der Modelle stimmen mit den Ergebnissen aus den Versuchen sehr gut überein. Sie sind ein zuverlässiges Werkzeug, dass wir Ingenieuren an die Hand geben können, die mit dieser Methode arbeiten wollen. Die so verklebten Bauteile eignen sich gut für den Brückenbau zum Beispiel im Forst, wo sie oft schwere Lasten der Fahrzeuge aushalten müssen“, resümiert Prof. Werner Seim, Leiter des Fachgebiets.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Warum manche Blasen mehr Tempo machen

Pressemeldung der TU Graz vom 03.03.2022

Warum bewegen sich große Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten (etwa Polymer- und Proteinlösungen) so viel schneller als erwartet? Eine offene Frage mit großer Relevanz für industrielle Produktionsprozesse. Forschende der TU Graz und der TU Darmstadt haben nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein unter Fachleuten lange bekanntes Rätsel, das in vielen industriellen Produktionsprozessen sehr relevant ist: die sprunghaft unterschiedlichen Aufstiegsgeschwindigkeiten von Gasblasen in sogenannten viskoelastischen Flüssigkeiten. Viskoelastische Flüssigkeiten sind Stoffe, die Merkmale flüssiger und elastischer Stoffe in sich vereinen. Ein Beispiel dafür sind viele Haarshampoos: Stellt man eine durchsichtige, fast ganz gefüllte Flasche davon auf den Kopf, so sieht man die eingeschlossene Luft als Blase in ungewöhnlicher Form aufsteigen. In vielen Industrieprozessen treten solche Flüssigkeiten als Lösungen von Polymeren auf, die häufig durch Begasung mit Sauerstoff angereichert werden müssen. „Wir wissen seit etwa 60 Jahren, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei einem kritischen Blasendurchmesser sprunghaft zunimmt. Die Blasen steigen dann plötzlich bis zu zehnmal schneller auf. Das spielt für die kontrollierte Begasung dieser Flüssigkeiten eine fundamentale Rolle. Gleichzeitig war unklar, was diesen sprunghaften Geschwindigkeitsanstieg verursacht“, erläutert Günter Brenn vom Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz.

Mit einer Kombination aus Simulation, Experiment und theoretischen Analysen haben die Teams von Günter Brenn an der TU Graz und Dieter Bothe an der TU Darmstadt das Rätsel nun gemeinsam gelöst. Sie haben herausgefunden, dass die Wechselwirkung der Polymermoleküle mit der Strömung rund um die Gasblasen zu dem merkwürdigen Geschwindigkeitsverhalten der Blasen führt. Mit diesem Wissen kann nun der Sauerstoffeintrag in diese Lösungen genauer vorausberechnet werden, womit Apparaturen etwa in der Biotechnologie, in der Verfahrenstechnik und in der pharmazeutischen Industrie besser ausgelegt werden können. Ihre Erkenntnisse erläutern die Forscher aktuell im Fachjournal Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

„Entspannter“ Zustand bevorzugt

Polymere bestehen aus oft riesengroßen Molekülen, die in komplexer Weise mit der Flüssigkeit, in der sie gelöst sind, interagieren. Diese Wechselwirkung macht eine Flüssigkeit viskoelastisch. Was bedingt nun den sprungartigen Geschwindigkeitsanstieg, den Gasblasen in diesen Flüssigkeiten ab dem kritischen Durchmesser an den Tag legen? Günter Brenn erläutert die jüngsten Erkenntnisse: „Die Strömung rund um die Blase führt dazu, dass sich dort die gelösten Polymermoleküle verformen. Diesen Zustand mögen die Moleküle nicht besonders. Sie wollen so schnell wie möglich zum entspannten, unverformten Zustand zurückkehren.“ Wenn diese Rückkehr zum entspannten Zustand schneller geht als der Transport der Moleküle bis zum Äquator der Blase, dann bleibt die Blase langsam. Dauert die Rückkehr zur Entspannung hingegen länger als die Reise zum Blasenäquator, dann wird in der Flüssigkeit eine Spannung frei, die die Blase „anschiebt“. Das führt zu einer Selbstverstärkung, da nachfolgende Polymermoleküle nun erst recht bis unterhalb des Äquators kommen, sich dort entspannen und wiederum eine „Schubkraft“ freisetzen.

Neben der hohen Praxisrelevanz dieser Erkenntnis, insbesondere für die oben genannten Anwendungsbereiche, ergeben sich auch Konsequenzen in der Grundlagenforschung. „Es hat sich herausgestellt, dass eine weitere überraschende Eigenschaft des Strömungsfeldes dieser Lösungen diesem von uns gezeigten molekularen Mechanismus zugeordnet werden kann: nämlich der sogenannte ,negative Nachlauf‘ der Gasblase“, so Dieter Bothe von der Arbeitsgruppe Analysis des Fachbereichs Mathematik der TU Darmstadt. Das ist ein Bereich im Strömungsfeld unter der Blase, in dem normalerweise die Flüssigkeit mit kleiner Geschwindigkeit der Blase „hinterherläuft“. Bei den polymeren Flüssigkeiten ist es aber umgekehrt: dort ist die Flüssigkeitsbewegung entgegen der Blasenbewegung orientiert. Diese Flüssigkeitsbewegung kommt durch dieselbe Spannung zustande, die auch die Blase „anschiebt“. Aus diesem Verständnis können sich Möglichkeiten zur Steuerung von Strömungsvorgängen ergeben. (Susanne Filzwieser)

Originalpublikation:
On the molecular mechanism behind the bubble rise velocity jump discontinuity in viscoelastic liquids.
Dieter Bothe, Matthias Niethammer, Christian Pilz, Günter Brenn. J. Non-Newtonian Fluid Mech. vol. 302 (2022), 104748

Externer Link: www.tugraz.at

Quanteninformation: Licht aus Seltenerdmolekülen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.03.2022

Neuartiges Material mit vielversprechenden Eigenschaften für Quantencomputer und -netzwerke entdeckt – Forschende des KIT berichten in Nature

Mit Licht lässt sich Quanteninformation schnell, effizient und abhörsicher verteilen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Straßburg, der Chimie ParisTech und der nationalen französischen Forschungsorganisation CNRS haben nun die Entwicklung von Materialien zur Verarbeitung von Quanteninformation mit Licht wesentlich vorangebracht: In der Zeitschrift Nature präsentieren sie ein zu den Metallen der Seltenen Erden gehörendes kernspinhaltiges Europium-Molekül, mit dem sich eine effektive Photon-Spin-Schnittstelle verwirklichen lässt.

Quanteninformation wird nicht nur die Forschung und die Industrie, sondern letztlich auch unser Alltagsleben revolutionieren: Sie verspricht unter anderem enorme Fortschritte bei der Simulation von Materialien und Prozessen, was beispielsweise die Entwicklung neuer Arzneimittel, die Verbesserung von Batterien, die Verkehrsplanung sowie sichere Information und Kommunikation voranbringen kann. Ein Quantenbit (Qubit) kann sich gleichzeitig in vielen verschiedenen Zuständen zwischen 0 und 1 befinden. Diese sogenannte Quantensuperposition ermöglicht, Daten massiv parallel zu verarbeiten. Dadurch steigt die Rechenleistung von Quantencomputern gegenüber digitalen Computern exponentiell. Um Rechenoperationen durchführen zu können, müssen die Überlagerungszustände eines Qubit allerdings eine gewisse Zeit lang bestehen. Die Quantenforschung spricht von Kohärenzlebensdauer. Kernspins, das heißt Drehimpulse der Atomkerne, in Molekülen ermöglichen Überlagerungszustände mit langen Kohärenzlebensdauern. Denn die Kernspins sind gut von der Umgebung abgeschirmt, sodass sie die Qubits vor störenden äußeren Einflüssen schützen.

Effektive Licht-Kernspin-Schnittstelle

„Um praktische Anwendungen zu ermöglichen, müssen wir Quantenzustände speichern, verarbeiten und verteilen können“, erklärt Professor Mario Ruben, Leiter der Forschungsgruppe Molecular Quantum Materials am Institut für Quantenmaterialien und -technologien (IQMT) des KIT sowie des European Center for Quantum Sciences – CESQ an der Universität Straßburg. „Dazu haben wir nun ein vielversprechendes neuartiges Material identifiziert: ein kernspinhaltiges Europium-Molekül, das zu den Metallen der Seltenen Erden gehört.“ In einer in der Zeitschrift Nature erschienenen Publikation stellen Forschende um die Professoren Mario Ruben und David Hunger vom IQMT des KIT sowie Dr. Philippe Goldner von der École nationale supérieure de Chimie de Paris (Chimie ParisTech – PSL University; Centre national de la recherche scientifique, CNRS) das innovative Material vor.

Das Molekül ist so aufgebaut, dass es bei Laseranregung Lumineszenz zeigt, das heißt Lichtteilchen aussendet, welche die Kernspininformation tragen. Durch gezielte Laserexperimente lässt sich damit eine effektive Licht-Kernspin-Schnittstelle schaffen. Die vorliegende Arbeit zeigt die Adressierung von Kernspinniveaus mithilfe von Photonen, die kohärente Speicherung von Photonen sowie die Ausführung erster Quantenoperationen.

Hohe Dichte an Qubits

Um nützliche Quantenoperationen durchzuführen, bedarf es vieler Qubits, die miteinander quantenmechanisch verbunden werden. Für diese Verschränkung müssen die Qubits miteinander wechselwirken können. Die Forschenden aus Karlsruhe, Straßburg und Paris weisen in ihrer Arbeit nach, dass sich die Europium-Ionen in den Molekülen über elektrische Streufelder so miteinander koppeln können, dass künftig Verschränkung und damit Quanteninformationsverarbeitung möglich wird. Da die Moleküle atomgenau aufgebaut sind und sich in exakten Kristallen anordnen, lässt sich eine hohe Qubit-Dichte erreichen.

Ein weiterer für praktische Anwendungen entscheidender Aspekt ist die Adressierbarkeit der einzelnen Qubits. Mit optischer Adressierung lässt sich die Auslesegeschwindigkeit steigern, lassen sich störende elektrische Zuführungen vermeiden, und durch Frequenzseparation lässt sich eine Vielzahl von Molekülen individuell adressieren. Die vorliegende Arbeit erreicht gegenüber früheren Arbeiten eine rund tausendfach verbesserte optische Kohärenz in einem molekularen Material. Damit lassen sich Kernspinzustände gezielt optisch manipulieren.

Ein Schritt hin zum Quanteninternet

Licht eignet sich auch dazu, Quanteninformation über größere Distanzen zu verteilen, um beispielsweise Quantenrechner miteinander zu verknüpfen oder Informationen abhörsicher zu übertragen. Durch Integration des neuartigen Europium-Moleküls in photonische Strukturen zur Verstärkung der Übergänge könnte auch dies in Zukunft möglich sein. „Unsere Arbeit bildet einen wichtigen Schritt hin zu Quantenkommunikationsarchitekturen mit seltenerdbasierten Molekülen als Grundlage für ein Quanteninternet“, sagt Professor David Hunger vom IQMT des KIT. (or)

Originalpublikation:
Diana Serrano, Kuppusamy Senthil Kumar, Benoît Heinrich, Olaf Fuhr, David Hunger, Mario Ruben, Philippe Goldner: Rare-Earth Molecular Crystals with Ultra-narrow Optical Linewidths for Photonic Quantum Technologies. Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04316-2.

Externer Link: www.kit.edu

Tageslicht lässt unsere Asphaltstraßen altern

Presseaussendung der TU Wien vom 15.12.2021

Eine Überraschung in der Straßenbau-Forschung: Entgegen bisheriger Annahmen trägt sichtbares Licht deutlich zur Alterung von Bitumen bei, was letztlich den Asphalt zerstören kann.

Die Haltbarkeit von Asphalt hängt ganz entscheidend vom Bitumen ab – dem schwarzen Bindemittel, das die Steinchen im Asphalt zusammenhält. Wenn das Bitumen in der Straße altert, kann es seine Eigenschaften verändern und spröde werden, wodurch letztendlich der Asphalt Risse bildet. An der TU Wien forscht man im 2020 eingerichteten „Christian-Doppler-Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Materialien“ daran, diese Prozesse besser zu verstehen und Asphalt langlebiger zu machen.

Durch Zufall stieß Johannes Mirwald (Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien) dort nun auf einen überraschenden Effekt: Anders als bisher gedacht kann sichtbares Licht im blauen und grünen Bereich das Bitumen verstärkt altern lassen – und zwar innerhalb kürzester Zeit. Diese lichtbedingte Veränderung im Bitumen wurde nun an der TU Wien genau untersucht, bei künftigen Forschungen und Lebensdauer-Abschätzungen muss jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung mitberücksichtigt werden.

Zufallsentdeckung im Labor

„Das Forschungsprojekt begann mit einigen merkwürdigen Beobachtungen, die sich zunächst niemand erklären konnte“, erzählt Prof. Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien. „Bei uns im Labor lagen Bitumen-Proben in Glasbehältern herum – und bei näheren Untersuchungen stellen wir fest, dass sich ihre Oberfläche nach sehr kurzer Zeit verändert hatte.“

Solche Veränderungen hätte man vielleicht bei hohen Temperaturen erwartet – nicht aber bei Zimmertemperatur im Labor. Auch intensive UV-Strahlung käme als Erklärung für solche Veränderungen in Betracht, doch das Glas sollte eigentlich einen Großteil der UV-Strahlung absorbieren und nur den sichtbaren Anteil des Sonnenlichts durchlassen. „Wir beschlossen also, uns diese merkwürdige Sache mit Spezialmikroskopen näher anzusehen“, sagt Bernhard Hofko.

Bitumen-Proben wurden ganz gezielt beleuchtet, mit unterschiedlichen genau definierten Lichtfarben – vom langwelligen Rot bis in den kurzwelligeren UV-Bereich. „Bisher nahm man an, dass das hochenergetische UV-Licht den stärksten Einfluss auf die Alterung von Bitumen hat. Von sichtbarem Licht erwartete man keinen nennenswerten Effekt“, sagt Johannes Mirwald. Doch die Messungen zeigten deutlich: Bei allen untersuchten Lichtwellenlängen waren bereits nach 15-20 Minuten Veränderungen der Bitumen-Oberfläche nachzuweisen. Der stärkste Effekt tritt zwar tatsächlich im UV-Bereich auf, doch die Auswirkungen von sichtbarem Licht sind ähnlich drastisch – mit einem zusätzlichen Maximum im Wellenlängenbereich von blauem und grünem Licht. Berücksichtig man nun die Lichtbedingung auf der Erdoberfläche und den Einfluss der Atmosphäre, wodurch UV-Licht deutlich stärker abgeschwächt wird als blaues oder grünes Licht, zeigt sich, dass blaues Licht die meiste Alterung auf den Straßenoberflächen verursacht.

Oxidation führt zu Rissen

Das Licht beschleunigt die Oxidation des Materials – und wenn Bitumen oxidiert, verändern sich seine mechanischen Eigenschaften. Es wird steifer und damit auch rissanfälliger. „Die Oxidation unter Einwirkung von Licht findet zunächst nur in den obersten Schichten des Materials statt – in den äußersten Mikrometern der Bitumen-Probe“, sagt Johannes Mirwald. „Doch das ist bloß die Initialzündung für einen weitreichenden Effekt: Kleine Risse sorgen dafür, dass Sauerstoff tiefer in das Material eindringen kann, im Inneren des Materials entstehen Spannungen, die Risse werden tiefer und schließlich kann das zu einer nachhaltigen Schädigung des Asphalts führen.“

Bisher wurden Alterungsexperimente mit Bitumen hauptsächlich im Dunkeln durchgeführt – das wird sich nun ändern. „Unsere Messungen zeigen: Wenn man die Haltbarkeit von Asphalt vorhersagen möchte, dann muss man jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigen“, sagt Bernhard Hofko. Wo die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, hat man es außerdem meist auch mit hohen Temperaturen zu tun, das verstärkt den Effekt zusätzlich.

„Es ist ein absolut verblüffendes Ergebnis, mit dem niemand gerechnet hatte – so etwas passiert in der Forschung nicht oft“, sagt Bernhard Hofko. Für die Wissenschaft vom Straßenbau wird diese neue Erkenntnis jedenfalls wichtige Änderungen mit sich bringen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Mirwald et al., Impact of UV–Vis light on the oxidation of bitumen in correlation to solar spectral irradiance data, Construction and Building Materials 316, 17 (2021).

Externer Link: www.tuwien.at