Superaliajul care reduce emisiile de carbon ale centralelor electrice

Pe măsură ce omenirea caută modalități de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră, cercetătorii de la Sandia National Laboratories, din SUA, au prezentat superaliajul care reduce emisiile de carbon, ajutând în același timp centralele să producă mai multă electricitate.

Oamenii de știință de la Sandia, colaborând cu cercetătorii de la Laboratorul Național Ames, Universitatea de Stat din Iowa și Bruker Corp., toate din SUA, au folosit o imprimantă 3D pentru a crea un aliaj metalic de înaltă performanță, sau superaliaj, cu o compoziție neobișnuită, care îl face mai puternic și mai ușor decât materialele de ultimă generație utilizate în prezent.

• Test de cultură generală. Ce este entropia?
• Pentru prima dată, fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare, validând o teorie cuantică

Descoperirile ar putea avea un impact amplu în sectorul energetic, precum și în industria aerospațială și auto și sugerează o nouă clasă de aliaje similare care așteaptă să fie descoperite.

„Arătăm că superaliajul care reduce emisiile de carbon poate accesa combinații de neobținut până acum de rezistență ridicată, greutate redusă și rezistență la temperatură ridicată”, a spus Andrew Kustas, cercetător la Sandia.

„Credem că o parte din motivul pentru care am putut realiza acest lucru se datorează abordării fabricației aditive”, a adăugat el.

Echipa și-a publicat concluziile în revista Applied Materials Today.

Superaliajul care reduce emisiile de carbon

Aproximativ 80% din electricitatea din SUA provine din combustibili fosili sau din centrale nucleare, potrivit U.S. Energy Information Administration. Ambele tipuri de instalații se bazează pe căldură pentru a roti turbinele care generează electricitate.

Eficiența centralei este limitată de cât de mult se pot încălzi piesele metalice ale turbinei. Dacă turbinele pot funcționa la temperaturi mai ridicate, „atunci mai multă energie poate fi convertită în electricitate, reducând în același timp cantitatea de căldură reziduală eliberată în mediu”, a spus Sal Rodriguez, inginer nuclear la Sandia, care nu a participat la cercetare.

Experimentele Sandia au arătat că noul superaliaj, format din 42% aluminiu, 25% titan, 13% niobiu, 8% zirconiu, 8% molibden și 4% tantal, a fost mai puternic la 800 de grade Celsius decât multe alte aliaje de înaltă performanță, inclusiv față de cele utilizate în prezent în piesele de turbină, și chiar mai puternic atunci când a fost readus la temperatura camerei, notează Eurek Alert.

„Așadar, acesta este un câștig pe toate părțile: pentru o energie mai economică, dar și pentru mediu”, a spus Rodriguez.

Alte sectoare care ar putea folosi noul aliaj

Energia nu este singura industrie care ar putea beneficia de pe urma acestui studiu. Cercetătorii aerospațiali caută materiale ușoare care rămân puternice la căldură ridicată. În plus, Nic Argibay, de la Ames Lab, a spus că Ames și Sandia colaborează cu industria pentru a explora modul în care aliajele ca acesta ar putea fi utilizate în industria auto.

„Teoria structurii electronice condusă de Ames Lab a reușit să ofere o înțelegere a originilor atomice ale acestor proprietăți utile, iar acum suntem în proces de optimizare a acestei noi clase de aliaje pentru a aborda provocările de fabricație și scalabilitate”, a spus Argibay.

Fabricația aditivă, numită și imprimare 3D, este cunoscută ca fiind o metodă de producție versatilă și eficientă din punct de vedere energetic. O tehnică obișnuită de imprimare folosește un laser de mare putere pentru a topi rapid un material, de obicei un plastic sau un metal. Imprimanta depune apoi acel material în straturi, construind un obiect pe măsură ce materialul topit se răcește și se solidifică rapid.

Iar această cercetare demonstrează că tehnologia poate fi reutilizată ca o modalitate rapidă și eficientă de a crea materiale noi. Membrii echipei Sandia au folosit o imprimantă 3D pentru a topi metalele sub formă de pulbere și apoi a imprima imediat o mostră.

Superaliajul care reduce emisiile de carbon reprezintă o nouă abordare în crearea aliajelor

Superaliajul care reduce emisiile de carbon creat de Sandia reprezintă, de asemenea, o schimbare fundamentală în dezvoltarea aliajelor, deoarece niciun metal nu reprezintă mai mult de jumătate din material. Prin comparație, oțelul conține aproximativ 98% fier, combinat cu carbon, printre alte elemente.

„Fierul și un pic de carbon au schimbat lumea. Avem o mulțime de exemple în care am combinat două sau trei elemente pentru a face un aliaj de inginerie util. Acum, începem să folosim patru sau cinci sau mai multe într-un singur material. Și atunci începe să devină cu adevărat interesant și provocator din perspectiva științei materialelor și a metalurgiei”, a spus Kustas.

Ce va aduce viitorul?

Pe viitor, echipa este interesată să exploreze dacă tehnicile avansate de modelare pe computer i-ar putea ajuta pe cercetători să descopere mai mulți membri ai ceea ce ar putea fi o nouă clasă de superaliaje de înaltă performanță, de fabricație aditivă.

Kustas a spus că se așteaptă la provocări. În primul rând, ar putea fi dificil ca noul superaliaj să fie produs în volume mari fără fisuri microscopice, ceea ce reprezintă o provocare generală în fabricarea aditivă. El a mai spus că materialele care intră în aliaj sunt scumpe. Deci aliajul s-ar putea să nu fie adecvat pentru bunurile de larg consum pentru care menținerea costurilor scăzute este o preocupare principală.

Vă recomandăm să citiți și:

Cercetătorii dezvoltă o nouă tehnică pentru studiul mitocondriilor

Cercetătorii lucrează la lentilele de contact cu navigație GPS

Medicamentele controlate de lumină ar putea oferi terapii precise împotriva cancerului

Blue Origin susține că a dezvoltat o tehnică ce permite „energie solară nelimitată”