Istraživači Skoltech-a su identifikovali obećavajuće keramičke materijale za metalne premaze koji bi povećali efikasnost gasnih turbina. Ako se dalji eksperimentalni testovi pokažu uspešnim, premazi će omogućiti elektranama da proizvode više električne energije i mlaznim avionima da troše manje goriva. Uz isprobanu i testiranu tehniku otkrivanja materijala, istraživači nameravaju da nastave potragu i pronađu još kandidata sa možda još boljim svojstvima. Studija je objavljena u Phisycal Review Materials.
Toplotne barijere se koriste za zaštitu lopatica turbina u elektranama i u mlaznim motorima. Sama sečiva su napravljena od superlegura na bazi nikla. Oni nude odličnu kombinaciju čvrstoće na visokim temperaturama, žilavosti i otpornosti na degradaciju. Međutim, kako stvari postanu veoma vruće, superlegura omekšava i može se čak istopiti. Zaštitni premazi omogućavaju rad turbina na višim temperaturama bez ugrožavanja njihovog integriteta. I u ovom slučaju, viša temperatura znači veću efikasnost.
„Prevlake za termičku barijeru se danas prave od cirkonija stabilizovanog itrijumom, ali ako bi se umesto toga koristio materijal sa boljim svojstvima, to bi vam omogućilo da dobijete više korisne energije iz turbine“, kaže koautor studije, profesor Artem R. Oganov, koji vodi Laboratoriju za otkrivanje materijala u Skoltehu.
„Da biste pronašli takve materijale, prvo morate da dođete do kandidata čija svojstva predvidite računski. Testirali smo niz metoda i odredili najbolje od njih za izračunavanje relevantnih svojstava materijala, posebno toplotne provodljivosti. U radu navodimo neki kandidati koji obećavaju, ali nastavićemo da tražimo.“
Materijal za termo-barijerne premaze mora da ispuni nekoliko zahteva. Mora da ima veoma visoku tačku topljenja i veoma nisku toplotnu provodljivost. Ovo poslednje svojstvo je posebno teško izračunati jer zavisi od zamršenih „anharmoničnih“ efekata u kristalima. Takođe, kada se zagreje, materijal treba da se širi približno istom brzinom kao i superlegura, inače će se ljuštiti sa površine.
Materijal ne bi trebalo da prolazi kroz fazne prelaze između sobne temperature i radne temperature turbine, što bi izazvalo pucanje premaza. Takođe bi trebalo da izdrži efekte čestica prašine i kiseonika na visokim temperaturama i spreči da joni kiseonika dođu do metala u osnovi i da ga oksidiraju.
„Dok smo izračunali druga svojstva, suština problema je predviđanje toplotne provodljivosti“, kaže koautor studije, dr Skoltech i student Majid Zeraati. „Pokazali smo da su takva predviđanja računski izvodljiva i razumno precizna sa homogenim neravnotežnim simulacijama molekularne dinamike. Ovo se pokazalo pomalo neočekivanim, jer takve simulacije uključuju ogromnu količinu proračuna i obimne statistike, što rezultira visokom složenošću računanja.
„Ipak, uspeli smo da pojednostavimo metod tako što smo ga dopunili potencijalima mašinskog učenja: to jest, interakcije između atoma su bile predviđene korišćenjem veštačke inteligencije, a ne direktno izračunate.
Studija Skoltech-a već naglašava brojne materijale koji obećavaju da će nadmašiti aktuelnog šampiona, cirkonijum stabilizovanog itrijem, aktuelnog šampiona. Među njima su itrijum niobat (I 3 NbO 7 ), perovskitne strukture BaLaMgTaO 6 i BaLaMgNbO 6 i još sedam materijala. Uz to, tim planira da nastavi svoju kompjutersku pretragu kako bi identifikovao moguće rezervne opcije i potencijalno bolje kandidate koji su još uvek tamo.
