Gli scienziati del Karlsruher Institut für Technologie hanno sviluppato una lega di cromo-molibdeno-silicio che potrebbe rendere turbine e motori significativamente più efficienti, segnando un passo importante verso sistemi energetici più puliti e potenti.
I ricercatori del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hanno sviluppato una lega di cromo-molibdeno-silicio che resiste a temperature estreme pur rimanendo duttile e resistente all’ossidazione sostituendo le superleghe a base di nichel, che sono limitate a circa 1.100 °C. Il nuovo materiale potrebbe rendere turbine e motori significativamente più efficienti, segnando un passo importante verso sistemi energetici più puliti e potenti. La notizia è stata riportata da ScienceDaily.
I metalli ad alta temperatura sono essenziali per alimentare motori aeronautici, turbine a gas, sistemi a raggi X e altre tecnologie avanzate. Tra i più resistenti al calore ci sono i metalli refrattari come tungsteno, molibdeno e cromo, tutti con punti di fusione intorno o superiori a 2.000 °C. Nonostante la loro eccezionale tolleranza al calore, questi metalli hanno dei limiti: sono fragili a temperature normali e si ossidano rapidamente se esposti all’ossigeno, causando guasti anche a temperature comprese tra 600 e 700 gradi Celsius. Per questo motivo, possono essere utilizzati solo in ambienti sotto vuoto specializzati, come gli anodi rotanti per raggi X. Viste queste queste limitazioni, gli ingegneri si affidano da tempo alle superleghe a base di nichel per componenti che devono resistere all’aria calda o ai gas di combustione. Questi materiali sono standard nelle turbine a gas e in altri sistemi ad alta temperatura, ma le temperature operative, ovvero le temperature a cui possono essere utilizzati in sicurezza, si attestano su un massimo di 1.100 gradi Celsius. Un valore troppo basso per sfruttare appieno il potenziale di maggiore efficienza nelle turbine o in altre applicazioni ad alta temperatura. Il fatto è che l’efficienza nei processi di combustione aumenta con la temperatura.
Una tecnologia migliore
Riconoscendo questo limite prestazionale, il team del KIT si è messo alla ricerca di una nuova soluzione, sviluppando una nuova lega che combina cromo, molibdeno e silicio: “È duttile a temperatura ambiente, il suo punto di fusione è di circa 2.000 gradi Celsius e, a differenza delle leghe refrattarie finora note, si ossida lentamente, anche nell’intervallo di temperatura critico. Questo alimenta la visione di poter realizzare componenti adatti a temperature di esercizio notevolmente superiori a 1.100 gradi Celsius. Pertanto, il risultato della nostra ricerca ha il potenziale per consentire un vero e proprio salto tecnologico” afferma Alexander Kauffmann. Questo è particolarmente notevole, poiché la resistenza all’ossidazione e la duttilità non possono ancora essere previste in modo sufficientemente preciso da consentire una progettazione mirata del materiale, nonostante i grandi progressi compiuti nello sviluppo di materiali assistiti da computer.
“In una turbina, anche un aumento di temperatura di soli 100 gradi Celsius può ridurre il consumo di carburante di circa il 5%. Questo è particolarmente rilevante per l’aviazione, poiché gli aerei alimentati a energia elettrica difficilmente saranno adatti ai voli a lungo raggio nei prossimi decenni. Pertanto, una significativa riduzione del consumo di carburante sarà un aspetto fondamentale. Anche le turbine a gas stazionarie nelle centrali elettriche potrebbero essere gestite con minori emissioni di CO2 grazie a materiali più robusti. Per poter utilizzare la lega a livello industriale, sono necessarie molte altre fasi di sviluppo, ma intanto abbiamo raggiunto un traguardo importante. Gruppi di ricerca in tutto il mondo possono ora basarsi su questo risultato” sottolinea , spiega Marti Heilmaier, a capo della ricerca.
Foto: Chiara Bellamoli, KIT
