I ricercatori di Skoltech hanno identificato promettenti materiali ceramici per rivestimenti metallici che aumenterebbero l'efficienza delle turbine a gas. Se ulteriori test sperimentali avranno successo, i rivestimenti consentiranno alle centrali elettriche di produrre più elettricità e agli aerei a reazione di consumare meno carburante. Con la tecnica di scoperta dei materiali collaudata e testata, i ricercatori intendono continuare la ricerca e trovare più candidati con proprietà forse anche migliori. Lo studio è pubblicato in Physical Review Materials .
I rivestimenti a barriera termica vengono utilizzati per proteggere le pale delle turbine nelle centrali elettriche e nei motori a reazione. Le pale stesse sono realizzate in superleghe a base di nichel. Questi offrono un'ottima combinazione di resistenza alle alte temperature, tenacità e resistenza al degrado. Tuttavia, quando le cose si surriscaldano, la superlega si ammorbidisce e potrebbe persino sciogliersi. I rivestimenti protettivi consentono di far funzionare le turbine a temperature più elevate senza comprometterne l'integrità. E in questo caso, una temperatura più elevata significa una maggiore efficienza.
"I rivestimenti della barriera termica sono oggigiorno realizzati in zirconio stabilizzato con ittrio, ma se invece venisse utilizzato un materiale con proprietà migliori, ciò consentirebbe di ottenere una maggiore potenza utile dalla turbina", afferma il coautore dello studio, il professor Artem R. Oganov, che dirige il Material Discovery Laboratory presso Skoltech.
"Per trovare tali materiali, devi prima trovare candidati di cui prevedere le proprietà computazionalmente. Abbiamo testato una serie di metodi e determinato il migliore di essi per calcolare le proprietà dei materiali rilevanti, in particolare la conduttività termica. Nel documento, elenchiamo alcuni candidati promettenti, ma continueremo a cercare."
Un materiale per rivestimenti a barriera termica deve soddisfare diversi requisiti. Deve avere un punto di fusione molto alto e una conduttività termica molto bassa. Quest'ultima proprietà è particolarmente difficile da calcolare perché dipende dagli intricati effetti "anarmonici" dei cristalli. Inoltre, quando riscaldato, il materiale dovrebbe espandersi all'incirca alla stessa velocità della superlega, altrimenti si sfalderà dalla superficie.
Il materiale non deve subire transizioni di fase tra la temperatura ambiente e la temperatura di esercizio della turbina, che potrebbero causare la rottura del rivestimento. Dovrebbe inoltre resistere agli effetti delle particelle di polvere e dell'ossigeno alle alte temperature e impedire agli ioni di ossigeno di raggiungere il metallo sottostante e ossidarlo.
"Anche se abbiamo calcolato le altre proprietà, il nocciolo del problema è prevedere la conduttività termica", afferma il coautore dello studio, Skoltech Ph.D. studente Majid Zeraati. "Abbiamo dimostrato che tali previsioni sono computazionalmente fattibili e ragionevolmente accurate con simulazioni omogenee di dinamica molecolare di non equilibrio. Ciò si rivela alquanto inaspettato, poiché tali simulazioni comportano un'enorme quantità di calcoli e statistiche estese, con conseguente elevata complessità computazionale.
"Tuttavia, siamo riusciti a semplificare il metodo integrandolo con potenzialità di apprendimento automatico:ovvero le interazioni tra gli atomi sono state previste utilizzando l'intelligenza artificiale, anziché essere calcolate direttamente."
Lo studio Skoltech evidenzia già una serie di materiali che promettono di superare l’attuale campione, la zirconia stabilizzata con ittrio, l’attuale campione. Tra questi ci sono il niobato di ittrio (Y3 NbO7 ), le strutture della perovskite BaLaMgTaO6 e BaLaMgNbO6 e altri sette materiali. Detto questo, il team prevede di continuare la ricerca computazionale per identificare possibili opzioni di backup e i candidati potenzialmente migliori ancora disponibili.
Ulteriori informazioni: Majid Zeraati et al, Alla ricerca di materiali a bassa conduttività termica per rivestimenti con barriera termica:un approccio teorico, Materiali di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601
Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology
