Em um experimento inédito, os pesquisadores usaram nêutrons para investigar o desempenho de uma nova liga de alumínio em um motor movido a gasolina - enquanto o motor estava funcionando.

Uma equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia trabalhou com parceiros da indústria para realizar o teste, que verificou se uma liga de alto desempenho promissora para aplicações automotivas resistia ao calor e ao estresse de um motor de combustão interna.

O feito foi o primeiro para a Fonte de Nêutrons de Espalação, disse Ke An, cientista líder do instrumento para o instrumento VULCAN da instalação. "Esta foi a primeira vez que um motor de combustão interna funcionou em nosso difratômetro, e, até onde sabemos, em qualquer outro, "afirmou.

As propriedades únicas dos nêutrons permitem que eles penetrem materiais de forma não destrutiva, revelando detalhes fundamentais sobre a estrutura atômica de um material. A VULCAN usa nêutrons para medir deformação e estresse em grandes amostras industriais, o que o tornou ideal para avaliar uma cabeça de cilindro fundida a partir de uma liga de alumínio-cério ORNL desenvolvida em parceria com a Eck Industries.

O cientista de materiais do ORNL Orlando Rios, que tem trabalhado por meio do Critical Materials Institute para explorar o uso de cério como um agente de fortalecimento para ligas de alumínio, conduziu o experimento.

"Nosso experimento confirmou que nossa liga supera outras ligas de alumínio em temperaturas elevadas, "Disse Rios.

"A indústria automotiva está atualmente interessada em ligas que podem atender às demandas de alta temperatura de novos, tecnologias de eficiência energética, "ele explicou." Nossa composição de alumínio-cério mostra estabilidade excepcional em temperaturas acima de 500 graus Celsius [932 graus Fahrenheit], o que é inédito para ligas de alumínio. "

Tenente Eric Stromme, um Navy Tours with Industry Fellow que ajudou no projeto, adicionado, "Com uma liga de alumínio estável em altas temperaturas, motores podem ficar mais quentes, e os componentes podem ser feitos mais leves, aumentando a eficiência e a economia de combustível. "

Auxiliado por colegas nas Instalações de Demonstração de Fabricação do ORNL e no Centro Nacional de Pesquisa de Transporte, A equipe de Rios fundiu a cabeça do cilindro Al-Ce usando moldes de areia impressos em 3D e adaptou o componente a um motor de protótipo projetado especificamente para a VULCAN.

Durante o experimento de três dias - com o motor parando e reiniciando por meio de uma ignição remota da sala de controle da VULCAN - a difração de nêutrons permitiu aos pesquisadores "ver" a estabilidade de alta temperatura do Al-Ce durante o regime de operação do motor.

Os materiais sofrem forças complexas e temperaturas extremas durante a combustão interna, portanto, os pesquisadores queriam medir o desempenho do material durante as condições reais de operação.

"Realmente testamos o motor. Foi provavelmente o experimento mais barulhento realizado no SNS, "observou Rios, que trabalhou no projeto com o pós-doutorado do ORNL Michael Kesler e o bolsista do Centro de Bredesen da University of Tennessee, Zachary Sims.

“Toda a equipe ficou impressionada com a qualidade dos dados da VULCAN, especialmente porque os nêutrons tiveram que viajar por toda a estrutura do motor antes de serem observados por nossos detectores para fornecer informações sobre a cabeça do cilindro em funcionamento, "Rios disse." Isso é realmente notável. "

Um adicionado, "O que realizamos é uma prova de conceito para provar a viabilidade e o valor desse tipo de experimento."

An observou a eficácia da colaboração entre disciplinas entre ORNL e parceiros da indústria para apoiar o esforço. Ele está atualmente trabalhando para agilizar o processo para futuros usuários do VULCAN.

"Este foi um experimento fundamental não apenas para entender melhor esta liga, mas também para fornecer algumas análises mais amplas que permitirão novas ligas, não apenas compostos de alumínio, para ser processado desta forma, "Disse Rios." O experimento demonstra os benefícios de unir ciência fundamental com pesquisa e desenvolvimento de novos materiais e tecnologias em estágio inicial. Esperamos que o que estamos aprendendo com este experimento possa ser aplicado a muitos outros materiais em uma ampla gama de aplicações. "

Esta pesquisa foi patrocinada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE através do Critical Materials Institute, um Centro de Inovação de Energia DOE, com financiamento adicional do DOE Office of Science. Os parceiros incluem o Laboratório Nacional de Ames, ORNL, Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Laboratório Nacional de Idaho, e Eck Industries. A Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL conduziu o experimento em colaboração com a Unidade de Demonstração de Fabricação, Centro Nacional de Pesquisa de Transporte, e a equipe de instrumentos VULCAN.