Novas cerâmicas prometem turbinas a gás mais quentes que produzem mais energia

Condutividade térmica de alguns materiais calculada usando o método harmônico efetivo e potencial tensor de momento de aprendizado de máquina. Os compostos são classificados pelo valor da condutividade térmica em T=1500 K. (Materiais marcados com * possuem condutividade térmica anisotrópica). Crédito:Materiais de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601

Os pesquisadores da Skoltech identificaram materiais cerâmicos promissores para revestimentos metálicos que aumentariam a eficiência das turbinas a gás. Se novos testes experimentais forem bem sucedidos, os revestimentos permitirão que as centrais eléctricas produzam mais electricidade e que os aviões a jacto consumam menos combustível. Com a técnica de descoberta de materiais experimentada e testada, os pesquisadores pretendem continuar a busca e encontrar mais candidatos com propriedades talvez ainda melhores. O estudo foi publicado em Physical Review Materials .

Revestimentos de barreira térmica são usados para proteger pás de turbinas em usinas de energia e motores a jato. As próprias lâminas são feitas de superligas à base de níquel. Eles oferecem uma excelente combinação de resistência a altas temperaturas, tenacidade e resistência à degradação. No entanto, à medida que as coisas ficam muito quentes, a superliga amolece e pode até derreter. Os revestimentos protetores permitem operar turbinas em temperaturas mais altas sem comprometer sua integridade. E neste caso, temperatura mais elevada significa maior eficiência.

"Hoje em dia, os revestimentos de barreira térmica são feitos de zircônia estabilizada com ítria, mas se um material com melhores propriedades fosse usado, isso permitiria obter mais energia útil da turbina", diz o co-autor do estudo, Professor Artem R. Oganov. que dirige o Laboratório de Descoberta de Materiais da Skoltech.

"Para encontrar esses materiais, primeiro você precisa encontrar candidatos cujas propriedades você prevê computacionalmente. Testamos uma série de métodos e determinamos o melhor deles para calcular as propriedades relevantes do material, especialmente a condutividade térmica. No artigo, listamos alguns candidatos promissores, mas continuaremos procurando."

Um material para revestimentos de barreira térmica deve atender a vários requisitos. Deve ter um ponto de fusão muito alto e uma condutividade térmica muito baixa. A última propriedade é particularmente difícil de calcular porque depende dos intrincados efeitos "anarmônicos" nos cristais. Além disso, quando aquecido, o material deve expandir aproximadamente na mesma proporção que a superliga, ou então irá descascar da superfície.

O material não deve sofrer nenhuma transição de fase entre a temperatura ambiente e a temperatura de operação da turbina, o que poderia causar rachaduras no revestimento. Deve também resistir aos efeitos das partículas de poeira e do oxigênio em altas temperaturas e evitar que os íons de oxigênio atinjam o metal subjacente e o oxidem.

“Embora tenhamos calculado as outras propriedades, o cerne do problema é prever a condutividade térmica”, diz o coautor do estudo, Skoltech Ph.D. estudante Majid Zeraati. "Mostramos que tais previsões são computacionalmente viáveis e razoavelmente precisas com simulações homogêneas de dinâmica molecular sem equilíbrio. Isso se mostra um tanto inesperado, já que tais simulações envolvem uma enorme quantidade de cálculos e estatísticas extensas, resultando em alta complexidade computacional.

“No entanto, conseguimos simplificar o método complementando-o com potenciais de aprendizado de máquina:isto é, as interações entre os átomos foram previstas usando inteligência artificial, em vez de serem calculadas diretamente”.

O estudo da Skoltech já destaca uma série de materiais que prometem superar o atual campeão, a zircônia estabilizada com ítria, atual campeã. Entre eles estão o niobato de ítrio (Y₃ NbO₇ ), as estruturas perovskita BaLaMgTaO₆ e BaLaMgNbO₆ e mais sete materiais. Dito isto, a equipe planeja continuar sua busca computacional para identificar possíveis opções de backup e os candidatos potencialmente melhores que ainda existem.

Mais informações: Majid Zeraati et al, Procurando materiais de baixa condutividade térmica para revestimentos de barreira térmica:uma abordagem teórica, Physical Review Materials (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601
Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia

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