Gli innovativi materiali ceramici per rivestimenti per metallo possono potenzialmente incrementare l’efficienza delle turbine a gas, consentendo alle centrali elettriche di produrre più elettricità e ai velivoli di consumare meno carburante.
I ricercatori del Skoltech hanno recentemente identificato dei materiali ceramici idonei per rivestimenti per metallo che incrementerebbero l’efficienza delle turbine a gas. Sottoporranno questi materiali ad ulteriori ricerche e, in caso di esito positivo, i nuovi rivestimenti consentiranno alle centrali elettriche di produrre più elettricità e ai velivoli di consumare meno carburante.
Difatti, i rivestimenti
termoisolanti sono impiegati per proteggere le pale delle turbine nelle centrali elettriche e nei motori degli aerei. Le pale sono composte da superleghe a base nickel, che offrono un’ottima combinazione tra resistenza alle temperature elevate, al degrado e robustezza. Tuttavia, quando le temperature si innalzano, la superlega si ammorbidisce e può anche fondere. Quindi, i rivestimenti protettivi permettono alle turbine di operare a temperature più alte senza comprometterne l’integrità e migliorandone l’efficienza.
"I rivestimenti termoisolanti sono oggi realizzati in zirconia stabilizzata con ittrio, ma se si utilizzasse un materiale con proprietà migliori, si otterrebbe una maggiore potenza utile dalla turbina. Per reperire tali materiali, occorre innanzitutto trovare candidati le cui proprietà siano previste a livello computazionale. Abbiamo testato una serie di metodi e determinato i migliori per calcolare le proprietà rilevanti del materiale, in particolare la conduttività termica. Nel documento elenchiamo alcuni candidati promettenti e continueremo ad effettuare ricerche", ha dichiarato Artem Oganov, che dirige il Material Discovery Laboratory del Skoltech.
Inoltre, un materiale rivestimenti termoisolanti deve soddisfare parecchi requisiti:
- Disporre di un elevato punto di fusione ed una conduttività termica estremamente ridotta;
- Quando surriscaldato, il materiale si deve espandere a una velocità approssimativamente uguale a quella della superlega, altrimenti si staccherà dalla superficie;
- Il materiale non deve subire transizioni di fase tra la temperatura ambiente e quella di esercizio della turbina, che potrebbero causare la rottura del rivestimento;
- Deve resistere agli effetti delle particelle di polvere e dell'ossigeno ad alte temperature e impedire che gli ioni di ossigeno raggiungano il metallo sottostante e lo ossidino.
"Anche se abbiamo calcolato le altre proprietà, il fulcro del problema è la previsione della conduttività termica. Abbiamo dimostrato che tali previsioni sono matematicamente fattibili e ragionevolmente accurate con simulazioni di dinamica molecolare omogenea non di equilibrio. Si tratta di un risultato inaspettato, poiché tali simulazioni comportano un numero massiccio di calcoli e statistiche. Tuttavia, siamo riusciti a semplificare il metodo integrandolo con potenziali di apprendimento automatico: in altre parole, le interazioni tra gli atomi sono state previste grazie all'intelligenza artificiale, anziché essere calcolate direttamente", ha aggiunto Majid Zeraati, dottorando allo Skoltech.