Gli attuali materiali delle pale delle turbine hanno già raggiunto il loro limite operativo. Per combattere questo problema, un team ha sviluppato una struttura in grado di prevedere l'ossidazione di leghe ad alta entropia che offrono il potenziale per essere utilizzate nelle turbine a gas. Credito:Texas A&M Engineering
Le turbine a gas sono ampiamente utilizzate per la produzione di energia e la propulsione degli aerei. Secondo le leggi della termodinamica, maggiore è la temperatura di un motore, maggiore è il rendimento. A causa di queste leggi, sta emergendo un interesse nell'aumentare la temperatura di esercizio delle turbine.
Un team di ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Texas A&M University, in collaborazione con i ricercatori dell'Ames National Laboratory, ha sviluppato un framework di intelligenza artificiale in grado di prevedere leghe ad alta entropia (HEA) in grado di resistere ad ambienti ossidanti a temperature estremamente elevate . Questo metodo potrebbe ridurre significativamente i tempi ei costi di ricerca delle leghe diminuendo il numero di analisi sperimentali richieste.
Questa ricerca è stata recentemente pubblicata su Material Horizons .
In condizioni prolungate di alta temperatura, le pale della turbina possono causare guasti catastrofici a causa della fusione o dell'ossidazione. Sfortunatamente, gli attuali materiali delle pale delle turbine hanno già raggiunto il loro limite operativo.
I progressi ingegneristici come rivestimenti e canali di raffreddamento hanno ritardato la necessità di cambiare i materiali utilizzati per le turbine. Tuttavia, si prevede che il volume dei viaggi aerei raddoppierà nel prossimo decennio e le turbine a gas stanno diventando una tecnologia sempre più dominante per la produzione di energia. Pertanto, le turbine richiedono una maggiore efficienza per ridurre il consumo di carburante e limitare le emissioni di anidride carbonica.
"Le turbine a gas funzionano convertendo l'energia chimica in movimento meccanico, ma sono limitate dalla loro soglia di temperatura", ha affermato il dottor Raymundo Arroyave, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Il prossimo passo per rivoluzionare la tecnologia delle turbine consiste nel cambiare il materiale utilizzato per fabbricare i componenti, come le pale, in modo che possano funzionare a temperature più elevate senza ossidarsi in modo catastrofico."
Quando si esaminano diversi tipi di leghe per turbine, c'è una notevole attenzione sugli HEA. Gli HEA sono leghe concentrate che non hanno un chiaro elemento maggioritario. Una caratteristica unica degli HEA è che queste leghe diventano più stabili a temperature più elevate, offrendo il potenziale per l'uso in ambienti estremi.
Nonostante la loro capacità di resistere alle alte temperature, gli HEA sono suscettibili alla ruggine (ossidazione). Gli HEA possono avere molte composizioni, espandendo esponenzialmente i tipi di ossidi che possono formarsi. Trovare una composizione in grado di resistere all'ossidazione richiederebbe un'ampia sperimentazione a costi molto elevati.
Per aggirare gli svantaggi ei costi della scoperta di HEA, i ricercatori hanno sviluppato un framework di intelligenza artificiale in grado di prevedere il comportamento di ossidazione degli HEA. Questo quadro, che combina termodinamica computazionale, apprendimento automatico e meccanica quantistica, può prevedere quantitativamente l'ossidazione degli HEA di composizioni chimiche arbitrarie. Il tempo necessario per lo screening computazionale delle leghe si riduce drasticamente, da anni a pochi minuti. Lo screening molto rapido ed efficiente, a sua volta, si traduce in una ridotta necessità di prove sperimentali ad alta intensità di risorse.
"Durante la ricerca in un ampio spazio compositivo, gli sperimentatori dovrebbero prendere centinaia di variazioni di un materiale molto complesso, ossidarle e quindi caratterizzare la loro performance, che potrebbe richiedere settimane, mesi o addirittura anni", ha affermato Daniel Sauceda, uno studente laureato al dipartimento di scienze dei materiali e ingegneria. "La nostra ricerca ha ridotto significativamente il processo creando una tabella di marcia dell'ossidazione degli HEA, mostrando ai ricercatori cosa ci si può aspettare da diverse composizioni."
Utilizzando la struttura, i ricercatori hanno previsto il comportamento di ossidazione di più composizioni di leghe. Hanno quindi inviato le previsioni allo scienziato dell'Ames National Laboratory Gaoyuan Ouyang e al suo team per testare le loro scoperte e verificare che la struttura dimostri accuratamente se una lega resiste o meno all'ossidazione.
"La capacità del framework di individuare con precisione le fasi dannose consentirà la progettazione di materiali resistenti all'ossidazione migliorati", ha affermato Prashant Singh, scienziato dell'Ames National Laboratory, che ha co-diretto lo sviluppo del framework. "L'approccio presentato in questo studio è generale e applicabile alla comprensione del comportamento di ossidazione degli HEA e fornisce informazioni sull'ossidazione e sui materiali resistenti alla corrosione per altre applicazioni".
Gli strumenti sviluppati in questo studio potrebbero potenzialmente alterare il processo mediante il quale gli scienziati scoprono materiali per ambienti estremi utilizzando strumenti di intelligenza artificiale per assorbire rapidamente un numero astronomico di leghe in un tempo molto breve.
"Questo strumento aiuterà a escludere le leghe che non funzioneranno per le nostre esigenze applicative, consentendoci al contempo di dedicare più tempo e creare un'analisi più dettagliata delle leghe che vale la pena indagare", ha affermato Arroyave. "Sebbene le nostre previsioni non siano accurate al 100%, forniscono comunque informazioni sufficienti per prendere decisioni informate su quali materiali vale la pena indagare a una velocità che sarebbe stata impensabile prima dello sviluppo di questo framework".
Gli HEA trovati attraverso questo framework hanno potenziali applicazioni, come turbine a gas per la propulsione e la generazione di energia, scambiatori di calore e molti altri che richiedono materiali per resistere a condizioni operative estreme.
"Consentendo la scoperta di materiali in grado di resistere ad ambienti estremi, questo lavoro contribuisce direttamente all'obiettivo del Dipartimento dell'Energia di raggiungere emissioni nette di carbonio pari a zero entro il 2050", ha affermato Singh. + Esplora ulteriormente
