I ricercatori dei laboratori nazionali di Sandia e Pacific Northwest stanno conducendo uno sforzo collaborativo per studiare come l'idrogeno influisce su materiali come la plastica, gomma, acciaio e alluminio.

Il Consorzio per la Compatibilità dei Materiali Idrogeno, o H-Mat, si concentrerà su come l'idrogeno influisce sui polimeri e sui metalli utilizzati in diversi settori, tra cui il trasporto delle celle a combustibile e le infrastrutture dell'idrogeno. Ricercatori di Oak Ridge, Laboratori nazionali di Savannah River e Argonne, così come nell'industria e nel mondo accademico, fanno anche parte della collaborazione. Lo sforzo sostiene l'iniziativa H2@Scale del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che mira a promuovere l'utilizzo dell'idrogeno per la produzione e lo stoccaggio di energia, nonché i processi industriali.

"Le capacità computazionali avanzate, strutture sperimentali uniche e competenze scientifiche presso i laboratori nazionali forniranno una migliore comprensione delle interazioni del gas idrogeno con polimeri e metalli, " ha detto Chris San Marchi, Sandia scienziato dei materiali e co-responsabile del consorzio. "L'obiettivo è migliorare l'affidabilità dei materiali nelle infrastrutture dell'idrogeno per l'uso su larga scala dell'idrogeno come vettore energetico".

Imaging attraverso le dimensioni

Oggi, gli Stati Uniti producono circa 10 milioni di tonnellate di idrogeno ogni anno, principalmente per la raffinazione del petrolio e la produzione di ammoniaca. La domanda di idrogeno è in crescita nei trasporti, dove migliaia di celle a combustibile sono utilizzate in carrelli elevatori e veicoli. Le applicazioni dell'idrogeno stanno emergendo anche attraverso l'innovazione in ulteriori settori, come la raffinazione del ferro e lo stoccaggio di energia.

Le attuali strutture metalliche che contengono idrogeno, come valvole, serbatoi di carburante e navi di stoccaggio, sono fabbricati da diverse leghe costose di alluminio e acciaio. In tali materiali, l'idrogeno interagisce con la loro composizione atomica in modi che possono causare danni. I componenti vengono regolarmente ispezionati e messi fuori servizio dopo un determinato numero di anni in modo che questo danno non si traduca in guasti imprevisti. Poiché i meccanismi di interazione tra idrogeno e materiali su nano e microscala non sono ben compresi, le durate dei vari componenti sono difficili da stimare. Ancora meno si sa su come l'idrogeno influenzi la struttura e le proprietà meccaniche dei polimeri, come tubi in plastica e guarnizioni in gomma.

Ad oggi, gran parte dell'infrastruttura dell'idrogeno esistente è stata informata dalla ricerca condotta presso i laboratori nazionali per caratterizzare metalli e polimeri in ambienti di idrogeno ad alta pressione. Il consorzio H-Mat cerca di approfondire la scienza alla base di questo comportamento, utilizzando tecniche avanzate di imaging e caratterizzazione della superficie per studiare le interazioni dell'idrogeno con i materiali su scale dimensionali che vanno dalla scala atomistica a quella ingegneristica. I ricercatori stanno anche sviluppando modelli informatici per prevedere i meccanismi di queste interazioni e l'evoluzione dei danni indotti dall'idrogeno. Queste previsioni possono quindi aiutare gli scienziati dei materiali a personalizzare la composizione e la composizione microstrutturale dei materiali per resistere ai danni indotti dall'idrogeno.

Meccanismi microscopici di degradazione

L'idrogeno colpisce i metalli attraverso una classe di interazioni chiamata infragilimento da idrogeno. L'infragilimento da idrogeno e la fessurazione indotta da idrogeno nei metalli possono essere visibili ad occhio nudo. Ma queste crepe iniziano con interazioni tra l'idrogeno e un materiale a lunghezze mille volte inferiori alla larghezza di un capello umano. Poco si sa sugli effetti dell'idrogeno a queste piccole lunghezze.

Si sa molto meno su come l'idrogeno influenzi i polimeri. Per questi materiali, l'idrogeno può formare bolle di gas pressurizzato che concentrano lo stress e provocano danni. Vi sono prove crescenti che l'idrogeno interagisce anche con i polimeri su scala atomica, che possono potenziare i meccanismi di degradazione.

I ricercatori di Sandia stanno studiando il comportamento di metalli e polimeri durante l'esposizione ad ambienti di idrogeno ad alta pressione utilizzando apparecchiature uniche presso il campus di Livermore, mentre il team del Pacific Northwest National Lab guida la caratterizzazione e gli studi sperimentali sul cracking e la degradazione nei polimeri.

"Gli scienziati dei materiali presso i due laboratori sono la base per gli studi sperimentali all'interno di questo consorzio, "dice Kevin Simmons, il ricercatore senior del PNNL che funge da co-responsabile di H-Mat. "Stiamo anche sfruttando le capacità computazionali ad alte prestazioni dei nostri laboratori per studiare le interazioni fondamentali tra idrogeno e materiali".

I ricercatori dei laboratori che collaborano forniscono competenze nell'imaging avanzato e nell'elaborazione aggiuntiva ad alte prestazioni. Accademico esistente e nuovo, le partnership industriali e istituzionali portano la conoscenza delle esigenze materiali per applicazioni infrastrutturali specifiche, e dati non proprietari saranno resi pubblici per accelerare la ricerca e lo sviluppo.