Um grupo de novos materiais inteligentes descobertos por pesquisadores da Texas A&M University e seus colegas tem o potencial de melhorar significativamente a eficiência da queima de combustível em motores a jato, cortando o custo de voar. Os materiais, o que também pode reduzir o ruído do avião em áreas residenciais, têm aplicações adicionais em uma variedade de outras indústrias.

"O que me entusiasma é que acabamos de arranhar a superfície de algo novo que poderia não apenas abrir um campo completamente novo de pesquisa científica, mas também permitem novas tecnologias, "disse o Dr. Ibrahim Karaman, Chevron Professor I e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da universidade.

O trabalho foi publicado em Scripta Materialia . Os co-autores de Karaman são Demircan Canadinc, William Trehern, e Ji Ma do Texas A&M, e Fanping Sun e Zaffir Chaudhry, Membro Técnico do United Technologies Research Center (UTRC).

A descoberta é baseada na reunião de duas áreas relativamente novas da ciência dos materiais envolvendo ligas metálicas, ou metais compostos por dois ou mais elementos. A primeira área envolve ligas com memória de forma, materiais "inteligentes" que podem mudar de uma forma para outra com gatilhos específicos, neste caso, a temperatura. Imagine uma haste de metal reta dobrada em um saca-rolhas. Ao mudar a temperatura, o saca-rolhas volta a ser uma haste e vice-versa.

Muitos aplicativos

Muitas aplicações potenciais para ligas com memória de forma envolvem ambientes extremamente quentes, como um motor a jato em funcionamento. Até agora, Contudo, ligas econômicas com memória de forma de alta temperatura, (HTSMAs), trabalharam apenas em temperaturas de até 400 graus Celsius. Adicionar elementos como ouro ou platina pode aumentar significativamente essa temperatura, mas os materiais resultantes são muito caros, entre outras limitações.

Karaman, enquanto trabalhava em um projeto da NASA com a UTRC e colegas, começou esta pesquisa para resolver um problema específico:controlar a liberação, ou espaço, entre as lâminas da turbina e a carcaça da turbina em um motor a jato. Um motor a jato é mais eficiente em termos de combustível quando a lacuna entre as lâminas da turbina e a carcaça é minimizada. Contudo, esta liberação deve ter uma margem justa para lidar com condições operacionais peculiares. Os HTSMAs incorporados à carcaça da turbina podem permitir a manutenção da folga mínima em todos os regimes de voo, melhorando assim o consumo de combustível específico de empuxo.

Outra aplicação potencial importante dos HTSMAs é a redução do ruído dos aviões quando eles chegam ao aeroporto. Aviões com bicos de exaustão maiores são mais silenciosos, mas menos eficiente no ar. Os HTSMAs podem alterar automaticamente o tamanho do bocal de exaustão do núcleo, dependendo se o avião está em vôo ou pousando. Essa mudança, desencadeada pelas temperaturas associadas a esses modos de operação, poderia permitir uma operação mais eficiente no ar e condições mais silenciosas no toque.

Karaman e seus colegas decidiram tentar aumentar as temperaturas de operação dos HTSMAs aplicando princípios de outra nova classe de materiais, ligas de alta entropia, que são compostos de quatro ou mais elementos misturados em quantidades aproximadamente iguais. A equipe criou materiais compostos por quatro ou mais elementos conhecidos por formar ligas com memória de forma (níquel, titânio, háfnio, zircônio e paládio), mas omitiu propositalmente ouro ou platina.

"Quando misturamos esses elementos em proporções iguais, descobrimos que os materiais resultantes poderiam funcionar em temperaturas bem acima de 500 graus C - um trabalhava a 700 graus C - sem ouro ou platina. Isso é uma descoberta, "disse Karaman." Também foi inesperado porque a literatura sugeria o contrário. "

Como funcionam os novos materiais? Karaman disse que tem ideias sobre como eles operam em temperaturas tão altas, mas não tenho teorias sólidas ainda. Para esse fim, trabalhos futuros incluem tentar entender o que está acontecendo na escala atômica por meio de simulações de computador. Os pesquisadores também pretendem explorar maneiras de melhorar ainda mais as propriedades dos materiais. Karaman observa, Contudo, que muitas outras questões permanecem.

"É por isso que acredito que isso poderia abrir uma área de pesquisa completamente nova, "disse ele." Enquanto continuarmos nossos próprios esforços, estamos entusiasmados que outros agora se juntem a nós para que juntos possamos ultrapassar os limites da ciência. "