La “superlega” realizzata con la stampante 3D potrebbe ridurre le emissioni delle centrali elettriche

Credito immagine: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

A cura della redazione E&T

Pubblicato lunedì 20 febbraio 2023

Una nuova “superlega” stampata in 3D potrebbe aiutare le centrali elettriche a generare più elettricità producendo meno carbonio.

Un gruppo di scienziati dei Sandia National Laboratories, dell’Ames National Laboratory, dell’Iowa State University e della Bruker Corp., tutti negli Stati Uniti, ha utilizzato una stampante 3D per creare una lega metallica ad alte prestazioni, o superlega, con una composizione insolita che la rende più resistente e più leggeri dei materiali all'avanguardia attualmente utilizzati nelle turbine a gas.

I risultati potrebbero avere un ampio impatto in tutto il settore energetico, nonché nell’industria aerospaziale e automobilistica, e puntare verso una nuova classe di leghe simili che devono ancora 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 lo scienziato di Sandia Andrew Kustas. “Riteniamo che parte del motivo per cui abbiamo raggiunto questo obiettivo sia dovuto all’approccio della produzione additiva”.

Sia le centrali a combustibili fossili che quelle nucleari fanno affidamento sul calore per azionare le turbine che generano elettricità. Ma l’efficienza delle centrali elettriche è limitata dalla quantità di metallo caldo che possono raggiungere le parti della turbina.

Credito immagine: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Se le turbine possono funzionare a temperature più elevate, è possibile convertire più energia in elettricità riducendo al contempo la quantità di calore di scarto rilasciato nell’ambiente.

La nuova superlega, composta per il 42% da alluminio, 25% da titanio, 13% da niobio, 8% da zirconio, 8% da molibdeno e 4% da tantalio, a 800°C era più resistente di molte altre superleghe ad alte prestazioni. leghe, comprese quelle attualmente utilizzate nelle parti delle turbine, e ancora più resistenti quando venivano riportate a temperatura ambiente.

“Si tratta quindi di un vantaggio per un’energia più economica e per l’ambiente”, ha affermato Sal Rodriguez, un ingegnere nucleare di Sandia che non ha partecipato alla ricerca.

Anche i ricercatori aerospaziali alla ricerca di materiali leggeri che restino resistenti alle alte temperature potrebbero trarre vantaggio dalla superlega.

La stampa 3D è già ampiamente utilizzata come metodo di produzione versatile ed efficiente dal punto di vista energetico. Utilizza un laser ad alta potenza per fondere rapidamente un materiale, solitamente una plastica o un metallo, che viene poi depositato in strati per costruire un oggetto mentre il materiale fuso si raffredda e si solidifica rapidamente.

I ricercatori hanno riproposto la tecnologia come un modo rapido ed efficiente per creare nuove leghe utilizzando una stampante 3D per fondere insieme i metalli in polvere e quindi produrne immediatamente un campione.

"Abbiamo molti esempi di dove abbiamo combinato due o tre elementi per creare un'utile lega ingegneristica", ha affermato Kusta. “Ora stiamo iniziando ad arrivare a quattro o cinque o oltre all'interno di un singolo materiale. Ed è allora che le cose iniziano davvero a diventare interessanti e stimolanti dal punto di vista della scienza dei materiali e della metallurgia”.

Andando avanti, il team è interessato a esplorare se le tecniche avanzate di modellazione computerizzata potrebbero aiutare i ricercatori a scoprire più membri di quella che potrebbe essere una nuova classe di superleghe ad alte prestazioni prodotte mediante produzione additiva.

"Si tratta di miscele estremamente complesse", ha affermato lo scienziato di Sandia Michael Chandross, non direttamente coinvolto nello studio. “Tutti questi metalli interagiscono a livello microscopico – anche atomico – e sono queste interazioni che determinano realmente 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 permetterci di prevedere le prestazioni di un nuovo materiale prima di fabbricarlo”.

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