Pesquisadores dos laboratórios nacionais Sandia e Pacific Northwest estão liderando um esforço colaborativo para investigar como o hidrogênio afeta materiais como plásticos, borracha, aço e alumínio.

O Consórcio de Compatibilidade de Materiais de Hidrogênio, ou H-Mat, incidirá sobre como o hidrogênio afeta polímeros e metais usados ​​em diversos setores, incluindo transporte de células de combustível e infraestrutura de hidrogênio. Pesquisadores em Oak Ridge, Laboratórios nacionais de Savannah River e Argonne, bem como na indústria e na academia, também fazem parte da colaboração. O esforço apóia a iniciativa H2 @ Scale do Departamento de Energia dos EUA, que visa o avanço da utilização de hidrogênio para produção e armazenamento de energia, bem como processos industriais.

"Os recursos computacionais avançados, instalações experimentais únicas e conhecimentos científicos nos laboratórios nacionais proporcionarão uma melhor compreensão das interações do gás hidrogênio com polímeros e metais, "disse Chris San Marchi, Sandia cientista de materiais e co-líder do consórcio. "O objetivo é melhorar a confiabilidade dos materiais na infraestrutura de hidrogênio para o uso em larga escala do hidrogênio como transportador de energia."

Imagens em todas as dimensões

Hoje, os Estados Unidos produzem cerca de 10 milhões de toneladas métricas de hidrogênio a cada ano, principalmente para refino de petróleo e produção de amônia. A demanda de hidrogênio está crescendo no transporte, onde milhares de células de combustível são usadas em empilhadeiras e veículos. As aplicações de hidrogênio também estão surgindo por meio da inovação em setores adicionais, como refino de ferro e armazenamento de energia.

Estruturas de metal atuais que contêm hidrogênio, como válvulas, tanques de combustível e recipientes de armazenamento, são fabricados a partir de várias ligas caras de alumínio e aço. Em tais materiais, o hidrogênio interage com sua composição atômica de maneiras que podem causar danos. Os componentes são inspecionados rotineiramente e retirados de serviço após um determinado número de anos para que esse dano não resulte em falhas inesperadas. Uma vez que os mecanismos de interação entre hidrogênio e materiais em nano e microescalas não são bem compreendidos, as vidas úteis de vários componentes são difíceis de estimar. Ainda menos se sabe sobre como o hidrogênio afeta a estrutura e as propriedades mecânicas dos polímeros, como tubos de plástico e vedações de borracha.

A data, grande parte da infraestrutura de hidrogênio existente foi informada por pesquisas realizadas nos laboratórios nacionais para caracterizar metais e polímeros em ambientes de hidrogênio de alta pressão. O consórcio H-Mat busca se aprofundar na ciência subjacente desse comportamento, usando técnicas avançadas de imagem e caracterização de superfície para estudar as interações do hidrogênio com materiais em escalas de tamanho que variam da escala atomística à de engenharia. Os pesquisadores também estão desenvolvendo modelos de computador para prever os mecanismos dessas interações e a evolução dos danos induzidos pelo hidrogênio. Essas previsões podem ajudar os cientistas de materiais a adaptar a composição e composição microestrutural dos materiais para resistir aos danos induzidos por hidrogênio.

Mecanismos microscópicos de degradação

O hidrogênio afeta os metais por meio de uma classe de interações chamada fragilização por hidrogênio. Fragilização por hidrogênio e rachaduras induzidas por hidrogênio em metais podem ser visíveis a olho nu. Mas essas rachaduras começam com interações entre o hidrogênio e um material com comprimentos mil vezes menores que a largura de um fio de cabelo humano. Pouco se sabe sobre os efeitos do hidrogênio nesses comprimentos minúsculos.

Muito menos se sabe sobre como o hidrogênio afeta os polímeros. Para esses materiais, o hidrogênio pode formar bolhas de gás pressurizadas que concentram o estresse e causam danos. Há evidências crescentes de que o hidrogênio também interage com polímeros em escala atômica, o que pode aumentar os mecanismos de degradação.

Os pesquisadores da Sandia estão estudando o comportamento de metais e polímeros enquanto expostos a ambientes de hidrogênio de alta pressão usando equipamentos exclusivos no campus de Livermore, enquanto a equipe do Pacific Northwest National Lab lidera a caracterização e estudos experimentais de craqueamento e degradação em polímeros.

"Os cientistas de materiais nos dois laboratórios são a base para os estudos experimentais dentro deste consórcio, "diz Kevin Simmons, o cientista pesquisador sênior do PNNL que atua como co-líder da H-Mat. "Também estamos aproveitando os recursos computacionais de alto desempenho de nossos laboratórios para estudar as interações fundamentais entre hidrogênio e materiais."

Os pesquisadores em laboratórios colaboradores fornecem experiência em imagens avançadas e computação adicional de alto desempenho. Acadêmico novo e existente, parcerias industriais e institucionais trazem conhecimento sobre as necessidades materiais para aplicações específicas de infraestrutura, e dados não proprietários serão tornados públicos para acelerar a pesquisa e o desenvolvimento.