Μια ομάδα επιστημόνων στη Γερμανία κατάφερε να δημιουργήσει ένα νέο κράμα μετάλλων που μπορεί να αντέξει αδιανόητα υψηλές θερμοκρασίες, τέτοιες που ούτε καν πλησιάζουν τα σημερινά διαθέσιμα υλικά. Η ανακάλυψη, που προέρχεται από το Karlsruher Institut für Technologie (KIT), θα μπορούσε να φέρει επανάσταση σε κινητήρες αεροσκαφών, τουρμπίνες και ενεργειακά συστήματα, ανοίγοντας τον δρόμο για αποδοτικότερη και καθαρότερη παραγωγή ενέργειας.
Το νέο κράμα, ένας συνδυασμός χρωμίου, μολυβδαινίου και πυριτίου, υπόσχεται να ξεπεράσει τους περιορισμούς των σημερινών νικελιούχων «superalloys», των υπερκραμάτων που αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των αεροπορικών και βιομηχανικών τουρμπινών. Σε αντίθεση με τα υπάρχοντα υλικά που μπορούν να λειτουργήσουν με ασφάλεια μέχρι περίπου τους 1.100°C, το νέο μέταλλο φαίνεται ικανό να παραμένει σταθερό και εύκαμπτο ακόμα και κοντά στους 2.000°C.
Τα μέταλλα που αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες είναι κρίσιμα για την τεχνολογία, από τις τουρμπίνες αεροσκαφών και τις γεννήτριες μέχρι τα ιατρικά συστήματα ακτίνων Χ. Παραδοσιακά, η επιστημονική κοινότητα βασίζεται σε «ανθεκτικά» μέταλλα, όπως το βολφράμιο, το μολυβδαίνιο και το χρώμιο, γνωστά για τα σημεία τήξης τους πάνω από τους 2.000°C. Ωστόσο, αυτά τα υλικά έχουν ένα μεγάλο μειονέκτημα: γίνονται εξαιρετικά εύθραυστα σε κανονικές θερμοκρασίες και οξειδώνονται γρήγορα όταν εκτεθούν στο οξυγόνο, αποτυγχάνοντας ακόμα και στους 700°C.
Για να παρακαμφθούν αυτά τα όρια, η βιομηχανία στράφηκε στα νικελιούχα υπερκράματα σύνθετα υλικά που συνδυάζουν πολλά μεταλλικά στοιχεία, ορισμένα εκ των οποίων είναι σπάνια. Αυτά τα κράματα κατάφεραν να προσφέρουν μια ισορροπία αντοχής, ευκαμψίας και ανθεκτικότητας στη διάβρωση. Όμως, όπως εξηγεί ο καθηγητής Martin Heilmaier από το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Υλικών του KIT,
Οι σημερινές τεχνολογίες έχουν φτάσει στα όριά τους. Οι υπάρχουσες υπερκράσεις δεν μπορούν να λειτουργήσουν πάνω από τους 1.100°C χωρίς να διακινδυνεύσουν δομική αστάθεια.
Αυτό σημαίνει ότι, ακόμη κι αν γνωρίζουμε πως η αύξηση της θερμοκρασίας σε κινητήρες και τουρμπίνες οδηγεί σε καλύτερη απόδοση και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου, τα υλικά απλώς δεν μπορούν να το αντέξουν.
Αυτός ο περιορισμός αποτέλεσε το έναυσμα για την ερευνητική ομάδα του Heilmaier να αναζητήσει μια εναλλακτική λύση. Μέσα στο πλαίσιο του γερμανικού ερευνητικού προγράμματος MatCom-ComMat (Materials Compounds from Composite Materials for Applications in Extreme Conditions), οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο κράμα βασισμένο σε χρώμιο, μολυβδαίνιο και πυρίτιο.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό. Το νέο μέταλλο δεν είναι μόνο ανθεκτικό στη θερμότητα, αλλά και «εύκαμπτο σε θερμοκρασία δωματίου» — κάτι εξαιρετικά σπάνιο για κράματα αυτού του τύπου. Όπως εξηγεί ο Dr. Alexander Kauffmann, σήμερα καθηγητής στο Ruhr University Bochum,
Το υλικό μας συνδυάζει ιδιότητες που μέχρι τώρα θεωρούνταν αμοιβαία αποκλειόμενες. Αντέχει θερμοκρασίες κοντά στους 2.000°C και οξειδώνεται πολύ πιο αργά σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο γνωστό κράμα αυτής της κατηγορίας.
Αυτό σημαίνει πως οι μηχανικοί ίσως σύντομα θα μπορούν να κατασκευάζουν εξαρτήματα ικανά να λειτουργούν σε συνθήκες πολύ υψηλότερων θερμοκρασιών από τις σημερινές — κάτι που θα μπορούσε να φέρει ένα πραγματικό τεχνολογικό άλμα.
Η σημασία της ανακάλυψης δεν είναι μόνο ακαδημαϊκή. Κάθε αύξηση θερμοκρασίας λειτουργίας στις τουρμπίνες μεταφράζεται σε άμεση αύξηση αποδοτικότητας. Όπως σημειώνει ο Heilmaier, «μια αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας κατά 100°C μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου έως και 5%».
Στον τομέα της αεροπορίας, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει εκατομμύρια λίτρα καυσίμων λιγότερα και σημαντική μείωση των εκπομπών CO2, ιδιαίτερα καθώς τα ηλεκτρικά αεροσκάφη παραμένουν ανέφικτα για υπερατλαντικά ταξίδια. Το ίδιο ισχύει και για τις σταθερές τουρμπίνες παραγωγής ενέργειας, που θα μπορούσαν να λειτουργούν πιο καθαρά και πιο οικονομικά.
Παρά τις ελπιδοφόρες προοπτικές, η μετάβαση από το εργαστήριο στη βιομηχανική εφαρμογή δεν θα είναι εύκολη. Το νέα κράμα χρειάζεται περαιτέρω δοκιμές και βελτιστοποίηση, τόσο στη διαδικασία παραγωγής όσο και στην αντοχή της σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Ωστόσο, οι επιστήμονες θεωρούν ότι η ανακάλυψή τους αποτελεί ένα θεμελιώδες βήμα για τη μελλοντική σχεδίαση προηγμένων μεταλλικών κραμάτων.
[source]
