Grafik zu MIC (Microbial Influenced Corrosion)

Tanks und Rohrleitungen aus Stahl werden durch Mikroorganismen kontaminiert, wenn sie mit verunreinigten Flüssigkeiten in Kontakt kommen, z. B. mit biologisch degradiertem Kraftstoff. Korrosion oder Degradation von Werkstoffen und Bauteilen kann die Sicherheit von technischen Systemen gefährden und verursacht volkswirtschaftlich erhebliche Schäden.

Quelle: BAM

Leckagen in Kühlsystemen, angegriffene Kraftstofftanks, Lochkorrosion im Edelstahl, verkrustete Schiffsrümpfe. Schäden dieser Art sind ärgerlich und teuer. Im schlimmsten Fall bedrohen sie die Sicherheit von technischen Systemen. Oft spielen Mikroorganismen eine Rolle oder sind sogar die Ursache von technischen Defekten. Mikroorganismen können Oberflächen besiedeln und angreifen, so dass es zu einer so genannten mikrobiell beeinflussten Korrosion kommt (microbial influenced corrosion, MIC). Man geht davon aus, dass Mikroorganismen an ca. 20 % aller Korrosionsvorgänge beteiligt sind und damit jährlich viele Millionen Euro Schaden verursachen. Betroffen sind alle Materialien: Stahl, Kunststoffe und organische Materialien. MIC zu erforschen ist nicht einfach. Noch schwieriger ist es, sie zu bekämpfen. Da Mikroorganismen Überlebenskünstler sind, können sie nie gänzlich daran gehindert werden, Materialien zu besiedeln. Auf deren Oberflächen bilden sie Gemeinschaften, die sich äußerst flexibel den Umweltbedingungen anpassen. Um Schäden zu vermeiden gilt es, ihnen das Überleben schwer zu machen. Genau das haben sich die BAM-Forscherinnen und Forscher vorgenommen.

Die BAM geht neue Wege

MIC kann durch bestimmte Mikroorganismen ausgelöst werden. Das sind Bakterien, die in sauerstofffreien Umgebungen leben und von aeroben, also Sauerstoff-liebenden Bakterien umgeben sein können. Bestimmte Mikroorganismen „ziehen“ Elektronen und schädigen auf diese Weise das Material. Die Korrosion entsteht in diesem Fall aufgrund von Elektronenfluss, der oft an Stellen erfolgt, die nicht in direktem Kontakt mit dem augenscheinlichen Schaden stehen. Wieder andere Mikroorganismen greifen durch ihre Stoffwechselprodukte das Material an.

BAM-Expertinnen und Experten verschiedener Disziplinen gehen im Projekt „Mikrobiell beeinflusste Korrosion“ neue Wege: Sie experimentieren mit Oberflächen, die sie auf der Nanoebene mit gefrästen Strukturen modellieren. Diese sollen es Mikroorganismen deutlich erschweren, sich anzusiedeln. Entstehen soll ein Phänomen, das aus der Natur bekannt ist: der Lotuseffekt. Mikroorganismen sind auf Wasser angewiesen. Dadurch, dass Wasser auf Oberflächen wie beim Lotuseffekt abperlt, wird Mikroorganismen die Grundlage entzogen und die Oberfläche verliert für sie an Attraktivität.

Nebenwirkungen vermeiden

Die Korrosionsforschung kennt bereits mehrere Ansätze zum Schutz von Materialien vor Mikroorganismen. Man kann sie durch Biozide bekämpfen oder Oberflächen mit speziellen Beschichtungen versehen. Die Nachteile: Biozide wirken in der Regel nicht ganz speziell gegen bestimmte Mikroorganismen. Sie schädigen gegebenenfalls auch nützliche. Giftige Substanzen können aus den Materialien gewaschen werden und können so unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Wenn Beschichtungen altern entstehen Risse und Beschädigungen, in denen sich Mikroorganismen gerne ansiedeln. Diese Nebenwirkungen wollen die BAM-Experten mit ihrem neuen Ansatz vermeiden.

Wie die BAM-Forscher arbeiten

Den Fachleuten geht es zunächst darum, MIC besser zu verstehen. Forscherinnen und Forscher der Mikrobiologie, Physik, Chemie und Materialwissenschaften bringen im Projekt ihre Expertise ein. Korrosionsraten müssen bestimmt und Faktoren identifiziert werden, die MIC beeinflussen. Biologen legen Bakterienkulturen an und setzen Sulfat reduzierende Bakterien (SRB) oder Methan produzierende Mikroorganismen (Methanogene Archaea) auf metallische Oberflächen. In welchen Gemeinschaften fühlen sich die Bakterien wohl, so dass erste Anheftungen in Form von Biofilmen entstehen können? Bei welchen Temperaturen gedeihen die Mikroorganismen besonders gut und wann hören sie auf zu wachsen?

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind herausgefordert, zeit- und ortsauflösende Methoden zu finden und zu erproben. Ihr Ziel ist es, eine materialunabhängige Experimental-Plattform zu entwickeln, die es erlaubt, neue Materialien und Oberflächen schnell und detailliert auf Anfälligkeit gegenüber MIC zu charakterisieren. Die Forscherinnen und Forscher wollen Methoden etablieren, mit denen sie Materialien, Mikroorganismen, Beschichtungen und Anwendungen schnell und vergleichend untersuchen können. Welche Oberfläche aus welchem Material ist für welchen Einsatz unter welchen Bedingungen am besten geeignet? Fragen, die sich zum Beispiel auch bei riesigen Offshore-Windanlagen stellen. MIC kann dort zum Problem werden, wenn Mikroorganismen, wie sie in Sedimenten leben, an Anlagenteilen im Boden andocken, sie im Laufe der Zeit angreifen und schließlich die Standfestigkeit gefährden.

Marimer Bewuchs (Fouling) auf Bordwand

Bei größeren Anheftungen an Schiffsrümpfen wirkt mikrobiell beeinflusste Korrosion (MIC) direkt korrosiv: Sauerstoff liebende – aerobe – Bakterien heften an. Anaerobe Mikroorganismen folgen ihnen und werden von aeroben Bakterien umgeben. Die anaeroben Mikroorganismen finden einen optimalen Lebensraum vor, es entsteht ein Biofilm. Die Korrosion beginnt. Weitere Organismen heften an, meist Krustentiere. Anheftungen an Schiffsrümpfen können zu einem um 15 % erhöhten Kraftstoffverbrauch führen.

Quelle: Fa. LimnoMar

Biologische Kontamination von Kraftstoffen verhindern

Einige Forscherinnen und Forscher arbeiten im Projekt anwendungsorientiert an der Aufgabe, die Beständigkeit von Fahrzeugkomponenten gegenüber MIC zu bestimmen. Die Fachleute interessiert besonders, wie das Zusammenspiel zwischen Material, Kraftstoff und Mikroben vor sich geht. Ein biologisch kontaminierter, also degradierter Kraftstoff führt zu einer deutlichen Änderung der chemischen Eigenschaften im technischen System. Das kann die Lebensdauer von Fahrzeugen verkürzen oder Motorschäden verursachen. Wer will das schon riskieren.