I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno creato che una nuova superlega stampata in 3D potrebbe aiutare le centrali elettriche a generare più elettricità producendo meno carbonio. Gli scienziati, collaborando con i ricercatori dell’Ames National Laboratory, della Iowa State University e della Bruker Corp., hanno utilizzato una stampante 3D per creare una lega metallica ad alte prestazioni, o superlega, con una composizione insolita che la rende più resistente e leggera rispetto allo stato di -materiali all’avanguardia attualmente utilizzati nelle macchine a turbina a gas. I risultati potrebbero avere un ampio impatto in tutto il settore energetico, nonché nell’industria aerospaziale e automobilistica, e accennano a una nuova classe di leghe simili in attesa di essere scoperte.
“Stiamo dimostrando che questo materiale può accedere a combinazioni precedentemente non ottenibili di elevata resistenza, peso ridotto e resilienza alle alte temperature”, ha affermato Andrew Kustas, uno dei ricercatori di Sandia. “Pensiamo che parte del motivo per cui abbiamo raggiunto questo obiettivo sia dovuto all’approccio alla produzione additiva”.
Il team ha pubblicato i risultati sulla rivista Applied Materials Today.
Indispensabile per le turbine delle centrali elettriche
Circa l’80% dell’elettricità negli Stati Uniti proviene da combustibili fossili o centrali nucleari, secondo la US Energy Information Administration. Entrambi i tipi di impianti si basano sul calore per far girare le turbine che generano elettricità. L’efficienza della centrale elettrica è limitata da quanto possono essere riscaldate le parti metalliche della turbina. Se le turbine possono funzionare a temperature più elevate, “allora più energia può essere convertita in elettricità riducendo la quantità di calore disperso rilasciato nell’ambiente”, ha affermato Sal Rodriguez, un ingegnere nucleare di Sandia che non ha partecipato alla ricerca.
Gli esperimenti di Sandia hanno mostrato che la nuova superlega – 42% alluminio, 25% titanio, 13% niobio, 8% zirconio, 8% molibdeno e 4% tantalio – era più resistente a 800 gradi Celsius (1.472 gradi Fahrenheit) rispetto a molte altre leghe, comprese quelle attualmente utilizzate nelle parti delle turbine, e ancora più resistenti quando è stata riportata a temperatura ambiente.
“Questo è quindi un vantaggio per tutti per un’energia più economica e per l’ambiente”, ha affermato Sal Rodriguez.
L’energia non è l’unico settore che potrebbe beneficiare dei risultati. I ricercatori aerospaziali cercano materiali leggeri che resistano a temperature elevate. Inoltre, lo scienziato di Ames Lab, Nic Argibay, ha affermato che Ames e Sandia stanno collaborando con l’industria per esplorare come le leghe come questa potrebbero essere utilizzate nell’industria automobilistica.
“La teoria della struttura elettronica guidata da Ames Lab è stata in grado di fornire una comprensione delle origini atomiche di queste proprietà utili, e ora stiamo ottimizzando questa nuova classe di leghe per affrontare le sfide di produzione e scalabilità”, ha affermato Nic Argibay.
Il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio del Dipartimento dell’Energia e Sandia ha finanziato la ricerca.
Cambiamenti nella scienza dei materiali
Questa nuova ricerca dimostra ulteriormente come l’AM possa essere riproposta come un modo rapido ed efficiente per creare nuovi materiali. I membri del team di Sandia hanno utilizzato una stampante 3D per fondere rapidamente i metalli in polvere e quindi stamparne immediatamente un campione.
La creazione di Sandia rappresenta anche un cambiamento fondamentale nello sviluppo delle leghe perché nessun singolo metallo costituisce più della metà del materiale. In confronto, l’acciaio è composto per circa il 98% da ferro combinato con carbonio, tra gli altri elementi.
“Il ferro e un pizzico di carbonio hanno cambiato il mondo”, ha detto Andrew Kustas. “Abbiamo molti esempi in cui abbiamo combinato due o tre elementi per creare un’utile lega ingegneristica. Ora, stiamo iniziando ad andare in quattro o cinque o oltre all’interno di un singolo materiale. Ed è allora che inizia davvero a diventare interessante e stimolante dal punto di vista della scienza dei materiali e della metallurgia”.
Scalabilità e costo
Andando avanti, secondo quanto riferito, il team è interessato a esplorare se tecniche avanzate di modellazione al computer potrebbero aiutare i ricercatori a scoprire più membri di quella che potrebbe essere una nuova classe di superleghe avanzate di produzione additiva ad alte prestazioni.
“Queste sono miscele estremamente complesse”, ha detto Michael Chandross, uno scienziato di Sandia ed esperto di modellazione computerizzata su scala atomica che non è stato direttamente coinvolto nello studio. “Tutti questi metalli interagiscono a livello microscopico, anche atomico, e sono quelle interazioni che determinano davvero quanto è forte un metallo, quanto è malleabile, quale sarà il suo punto di fusione e così via. Il nostro modello elimina molte congetture dalla metallurgia perché può calcolare tutto ciò e consentirci di prevedere le prestazioni di un nuovo materiale prima di fabbricarlo.
Andrew Kustas ha affermato che ci sono sfide da affrontare. Per prima cosa, potrebbe essere difficile produrre la nuova superlega in grandi volumi senza crepe microscopiche, che è una sfida generale nella produzione additiva. Ha anche affermato che i materiali che entrano nella lega sono costosi, quindi la lega potrebbe non essere appropriata nei beni di consumo per i quali mantenere bassi i costi è una preoccupazione primaria.
“Con tutti questi avvertimenti, se questo è scalabile e possiamo ricavarne una parte importante, è un punto di svolta”, ha concluso Andrew Kustas.
