In un esperimento unico nel suo genere, i ricercatori hanno usato i neutroni per studiare le prestazioni di una nuova lega di alluminio in un motore a benzina, mentre il motore era in funzione.

Un team dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha lavorato con i partner del settore per eseguire il test, che ha esaminato se una lega ad alte prestazioni che è promettente per applicazioni automobilistiche ha resistito al calore e allo stress di un motore a combustione interna.

L'impresa è stata la prima per la Spallation Neutron Source, ha detto Ke An, capo scienziato dello strumento per lo strumento VULCAN della struttura. "Questa è stata la prima volta che un motore a combustione interna è stato eseguito sul nostro diffrattometro, e, per quanto ne sappiamo, su qualsiasi altro, " ha affermato.

Le proprietà uniche dei neutroni consentono loro di penetrare i materiali in modo non distruttivo, rivelando dettagli fondamentali sulla struttura atomica di un materiale. VULCAN utilizza i neutroni per misurare la deformazione e lo stress su grandi campioni industriali, che lo ha reso ideale per valutare una testata fusa da una lega di alluminio-cerio ORNL sviluppata in collaborazione con Eck Industries.

Lo scienziato dei materiali ORNL Orlando Rios, che ha lavorato attraverso il Critical Materials Institute per esplorare l'uso del cerio come agente rinforzante per le leghe di alluminio, condotto l'esperimento.

"Il nostro esperimento ha confermato che la nostra lega supera le altre leghe di alluminio a temperature elevate, " ha detto Rios.

"L'industria automobilistica è attualmente interessata a leghe in grado di resistere a elevate esigenze di calore di nuovi, tecnologie ad alta efficienza energetica, " ha spiegato. "La nostra composizione alluminio-cerio mostra un'eccezionale stabilità a temperature superiori a 500 gradi Celsius [932 gradi Fahrenheit], cosa inaudita per le leghe di alluminio."

Tenente Eric Stromme, un Navy Tours con Industry Fellow che ha assistito al progetto, aggiunto, "Con una lega di alluminio stabile alle alte temperature, i motori potrebbero surriscaldarsi, e i componenti potrebbero essere alleggeriti, aumentare l'efficienza e il risparmio di carburante."

Aiutato dai colleghi della Manufacturing Demonstration Facility dell'ORNL e del National Transportation Research Center, Il team di Rios ha realizzato la testata del cilindro Al-Ce utilizzando stampi in sabbia stampati in 3D e ha adattato il componente a un prototipo di motore progettato specificamente per VULCAN.

Durante l'esperimento di tre giorni, con il motore che si arresta e si riavvia tramite un'accensione remota dalla sala di controllo di VULCAN, la diffrazione dei neutroni ha permesso ai ricercatori di "vedere" la stabilità ad alta temperatura di Al-Ce durante il regime di funzionamento del motore.

I materiali subiscono forze complesse e temperature estreme durante la combustione interna, quindi i ricercatori volevano misurare le prestazioni del materiale durante le condizioni operative effettive.

"Abbiamo davvero messo alla prova il motore. È stato probabilmente l'esperimento più rumoroso che abbia avuto luogo a SNS, " ha osservato Rios, che ha lavorato al progetto con il postdoc ORNL Michael Kesler e l'Università del Tennessee Bredesen Center Fellow Zachary Sims.

"L'intero team è rimasto colpito dalla qualità dei dati di VULCAN, soprattutto considerando che i neutroni dovevano attraversare un'intera struttura del motore prima di essere osservati dai nostri rilevatori per fornire informazioni sulla testata al lavoro, " ha detto Rios. "Questo è davvero notevole."

Un aggiunto, "Quello che abbiamo realizzato è un proof-of-concept per dimostrare la fattibilità e il valore di questo tipo di esperimento".

An ha notato l'efficacia della collaborazione tra discipline tra ORNL e partner del settore per supportare lo sforzo. Attualmente sta lavorando per semplificare il processo per i futuri utenti VULCAN.

"Questo è stato un esperimento fondamentale non solo per comprendere meglio questa lega, ma anche per fornire un'analisi più ampia che consentirà nuove leghe, non solo composti di alluminio, da elaborare in questo modo, " Rios ha detto. "L'esperimento dimostra i vantaggi dell'accoppiamento della scienza fondamentale con la ricerca e lo sviluppo in fase iniziale di nuovi materiali e tecnologie. Speriamo che ciò che stiamo imparando attraverso questo esperimento possa essere applicato a molti altri materiali in un'ampia gamma di applicazioni".

Questa ricerca è stata sponsorizzata dal DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy attraverso il Critical Materials Institute, un DOE Energy Innovation Hub, con ulteriori finanziamenti dal DOE Office of Science. I partner includono il Laboratorio Nazionale Ames, ORNL, Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore, Laboratorio Nazionale dell'Idaho, e Eck Industries. La Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL ha condotto l'esperimento in collaborazione con il Manufacturing Demonstration Facility, Centro nazionale di ricerca sui trasporti, e il team di strumenti VULCAN.