I cuscinetti delle macchine sono generalmente lubrificati con vari oli. Ma ancora oggi grandi quantità di questi oli finiscono nell'ambiente. L'Istituto Fraunhofer per la meccanica dei materiali IWM ha sviluppato un metodo che consentirà in futuro di lubrificare i cuscinetti a strisciamento utilizzando acqua, un approccio molto più rispettoso dell'ambiente.

I cuscinetti sono generalmente lubrificati con lubrificanti a base di olio minerale, prevenire l'usura del cuscinetto da contatto metallo su metallo. In Germania, ogni anno vengono utilizzati circa un milione di tonnellate di lubrificante. La manifattura, l'applicazione e lo smaltimento dell'olio sono un onere per l'ambiente.

L'introduzione di lubrificanti a base d'acqua avvantaggerebbe notevolmente la protezione dell'ambiente. Ma fino ad ora, il fatto che le parti metalliche si corrodano quando vengono a contatto con l'acqua è stato un grosso ostacolo. Un gruppo di lavoro presso il Fraunhofer IWM di Friburgo è riuscito a utilizzare additivi per cambiare l'acqua in modo tale che in futuro possa essere utilizzata come lubrificante. Ciò ha significato un doppio successo per il Dr. Tobias Amann e i suoi colleghi del Fraunhofer IWM:primo, la lubrificazione ottenuta è molto migliore, poiché l'acqua non è viscosa come l'olio. Secondo, si previene la corrosione.

I ricercatori hanno sviluppato i dettagli del loro processo utilizzando un cuscinetto a scorrimento, un cuscinetto che ricorda un anello che circonda un albero rotante in acciaio. L'anello è costituito da più strati strutturati dall'esterno verso l'interno come segue:un manicotto che circonda il cuscinetto, uno strato di alluminio e uno strato di metallo sinterizzato che circonda l'asta stessa. Il trucco è che lo strato sinterizzato interno è attraversato da un piccolo canale che lascia fluire l'acqua tra l'albero rotante e lo strato di alluminio esterno. Questo collegamento diretto è decisivo nel processo elettrochimico, in base al fatto che si crea una tensione elettrica tra un metallo di base come l'alluminio e un metallo più prezioso come il ferro, anche senza dover applicare alcun tipo di campo elettrico esterno.

Trasformare l'acqua in lubrificante

I ricercatori usano questa tensione elettrica che si crea tra l'alluminio nel cuscinetto a scorrimento e il ferro nell'albero per trasformare l'acqua in un lubrificante. "Mescoliamo i cosiddetti liquidi ionici nell'acqua, " spiega il Dr. Tobias Amann. "I liquidi ionici sono sali fluidi che contengono anioni e cationi." Questi ioni vengono riarrangiati nel campo elettrico e quindi si raccolgono sul lato interno dell'anello di metallo sinterizzato in modo tale che le loro estremità siano rivolte verso l'alto, verso l'albero rotante. Questo forma una sorta di strato protettivo generato galvanicamente su cui l'albero può scivolare.

Il team di ricerca ha già dimostrato la fattibilità del processo. Amann e il suo team sono attualmente alla ricerca di partner nell'industria con i quali intendono ottimizzare ulteriormente i liquidi ionici. "Una sfida è che il movimento dell'albero genera calore che fa evaporare l'acqua, " dice lo scienziato. "Ora stiamo cercando miscele liquide ioniche che inibiscano l'evaporazione".

Motori elettrici più efficienti

La miscela ione-acqua è migliore per l'ambiente rispetto all'olio, e aiuta anche a rendere i cuscinetti a scorrimento ancora più efficienti. Amann continua, "L'albero scivola meglio quando è bagnato con acqua. Ciò riduce il consumo di energia rispetto alle operazioni che utilizzano olio notevolmente più viscoso." Inoltre, si evita la corrosione. Normalmente l'ossigeno dell'acqua reagisce con acciai contenenti ferro, alla fine con conseguente ruggine. Il campo elettrico impedisce che ciò accada.

In due progetti insieme ai loro colleghi dell'Università di Friburgo, entrambi finanziati pubblicamente dal Ministero degli affari economici del Baden-Württemberg, Lavoro e alloggio, gli esperti di Fraunhofer IWM hanno sviluppato anche più del cuscinetto a strisciamento con i suoi meccanismi interni elettrochimici. Hanno anche progettato un nuovo dispositivo di misurazione, indicato come tribometro in situ, in grado di monitorare i valori di usura e attrito metallico direttamente sul cuscinetto a strisciamento durante il funzionamento. Finora era possibile misurare l'usura di un cuscinetto solo smontando il cuscinetto prima di valutarne e misurarne le superfici. Ciò richiede molto tempo:"Il nostro nuovo tribometro ora consente di misurare l'usura in situ, non solo facilitando lo sviluppo di lubrificanti a base d'acqua fattibili, ma anche per monitorare continuamente i cuscinetti, " precisa Amann.

Nuova applicazione di un principio noto nella protezione catodica contro la corrosione

Il lubrificante ad acqua nei cuscinetti radenti accoppiati galvanicamente sviluppato da Fraunhofer IWM è una nuova applicazione di un principio noto da tempo:protezione catodica attiva contro la corrosione, che funziona senza elettricità aggiuntiva. Questo accorgimento previene la ruggine e la corrosione dei metalli che entrano in contatto con l'acqua. Quello che viene chiamato anodo sacrificale, un metallo meno prezioso, viene inserito nell'ambiente acquoso. Questo anodo si dissolve lentamente, emettendo ioni nel liquido nel processo e creando un piccolo flusso di elettroni verso il metallo da proteggere, funzionando da catodo. Sulla superficie del metallo si sviluppa quindi uno strato protettivo caricato negativamente, prevenire la ruggine e la tribocorrosione. Questo perché i cationi caricati positivamente dal liquido ionico o dall'acqua lubrificante si raccolgono su questa superficie caricata negativamente.

Sulla superficie del metallo si sviluppa quindi uno strato protettivo caricato negativamente, prevenire la ruggine e la tribocorrosione. Questo perché i cationi caricati positivamente dal liquido ionico o dall'acqua lubrificante si raccolgono su questa superficie caricata negativamente.