Nuevas cerámicas prometen turbinas de gas más calientes que producirán más energía

Los investigadores de Skoltech han identificado materiales cerámicos prometedores para revestimientos metálicos que podrían mejorar la eficiencia de las turbinas de gas. Si otras pruebas experimentales resultan exitosas, los recubrimientos permitirían a las centrales eléctricas producir más electricidad y a los aviones consumir menos combustible. A medida que se prueba la tecnología de descubrimiento de materiales, los investigadores tienen la intención de continuar buscando y encontrar más candidatos que puedan tener mejores propiedades. el Estancia Fue publicado en Materiales de revisión física..

Las capas de aislamiento térmico se utilizan para proteger los álabes de las turbinas en centrales eléctricas y motores a reacción. Las propias palas están hechas de superaleación a base de níquel. Estos proporcionan una excelente combinación de resistencia a altas temperaturas, durabilidad y resistencia al deterioro. Sin embargo, cuando las cosas se calientan demasiado, las superaleaciones se ablandan e incluso pueden derretirse. Los revestimientos protectores permiten que las turbinas funcionen a temperaturas más altas sin comprometer su integridad. En este caso, una temperatura más alta significa una mayor eficiencia.

«Actualmente las capas de aislamiento térmico están hechas de itria-circonita estabilizada, pero si se utilizara un material con mejores propiedades, se obtendría más energía útil de la turbina», afirma el coautor del estudio, el profesor Artem R. Oganov. Quién dirige el Laboratorio de Descubrimiento de Materiales de Skoltech.

«Para encontrar tales materiales, primero hay que encontrar candidatos cuyas propiedades se predicen computacionalmente. Hemos probado una variedad de métodos e identificado los mejores para calcular las propiedades relevantes de los materiales, especialmente la conductividad térmica. En este documento, hemos enumerado algunos candidatos prometedores, pero seguiremos buscando».

El material de revestimiento termoaislante debe cumplir varios requisitos. Debe tener un punto de fusión muy alto y una conductividad térmica muy baja. Esta última propiedad es particularmente difícil de calcular porque depende de complejos efectos «quirales» en los cristales. Además, cuando se calienta, el material debe expandirse aproximadamente al mismo ritmo que la superaleación, de lo contrario se desprenderá de la superficie.

El material no debe sufrir transiciones de fase entre la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento de la turbina, lo que podría provocar grietas en el revestimiento. También debe resistir los efectos del polvo y las partículas de oxígeno a altas temperaturas y evitar que los iones de oxígeno lleguen al metal base y lo oxiden.

«Si bien tomamos en cuenta otras propiedades, el meollo del problema fue predecir la conductividad térmica», dice el coautor del estudio Skoltech, Ph.D. Estudiante Majid Al-Zarati. «Hemos demostrado que tales predicciones son computacionalmente factibles y razonablemente precisas mediante simulaciones de dinámica molecular en desequilibrio. Esto resulta algo contradictorio, ya que estas simulaciones implican una gran cantidad de cálculos y estadísticas extensas, lo que conduce a una alta complejidad computacional».

«Sin embargo, pudimos simplificar el método complementándolo con capacidades de aprendizaje automático: es decir, las interacciones entre átomos se predijeron utilizando inteligencia artificial, en lugar de calcularse directamente».

El estudio de Skoltech ya destaca una serie de materiales que prometen superar al actual campeón, la circona estabilizada con itria. Entre ellos se encuentra el niobato de itrio (Y₃Nebo₇), estructuras de perovskita BaLaMgTaO₆ y BaLaMgNbO₆ Y otros siete materiales. Sin embargo, el equipo planea continuar la investigación computacional para identificar posibles opciones de respaldo y mejores candidatos que aún existen.