Siêu hợp kim mới có thể cắt giảm lượng khí thải carbon từ các nhà máy điện

Khi thế giới đang tìm mọi cách để cắt giảm khí thải nhà kính, các nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã chỉ ra một siêu hợp kim in 3D mới có thể giúp các nhà máy điện tạo ra nhiều điện hơn trong khi đó lại tạo ra ít carbon hơn.

Levi Van Bastian, kỹ thuật viên công nghệ của Sandia đang in tài liệu trên máy Tạo hình lưới được thiết kế bằng laser (Laser Engineered Net Shaping machine), viết tắt là (LENS), cho phép các nhà khoa học in 3D các siêu hợp kim mới. Nguồn: Craig Fritz

Các nhà khoa học Sandia, hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Ames, Đại học Iowa State và Bruker Corp., đã sử dụng máy in 3D để tạo ra một hợp kim kim loại hiệu suất cao, (siêu hợp kim), với thành phần khác thường để giúp nó bền hơn và nhẹ hơn so với các vật liệu tiên tiến hiện đang được sử dụng trong máy móc tuabin khí. Những phát hiện này có thể có tác động rộng khắp trong lĩnh vực năng lượng cũng như ngành hàng không vũ trụ và ô tô, đồng thời gợi ý về một loại hợp kim tương tự mới đang chờ được khám phá.

Andrew Kustas, nhà khoa học của Sandia cho biết: “Chúng tôi đang chứng minh rằng vật liệu này có thể đạt được sự kết hợp mà không thể đạt được trước đây với độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng phục hồi nhiệt độ cao. Chúng tôi nghĩ rằng một phần lý do chúng tôi đạt được điều này là nhờ vào phương pháp sản xuất phụ gia”.

Những phát hiện của nghiên cứu đã được các nhà khoa học công bố trên tạp chí Applied Materials Today gần đây.

Vật liệu chịu nhiệt cao, cần thiết cho tua-bin nhà máy điện

Khoảng 80% điện ở Hoa Kỳ đến từ các nhà máy điện hạt nhân hoặc nhiên liệu hóa thạch, theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ. Hai nhà máy này đều dựa vào nhiệt để quay tua-bin tạo ra điện. Hiệu suất của nhà máy điện bị giới hạn bởi mức độ nóng của các bộ phận tuabin kim loại. Sal Rodriguez, kỹ sư hạt nhân của Sandia, không tham gia vào nghiên cứu cho biết, nếu các tuabin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn thì “có thể chuyển đổi nhiều năng lượng thành điện năng hơn đồng thời giảm lượng nhiệt thải ra môi trường”.

Các thí nghiệm của Sandia cho thấy siêu hợp kim mới - 42% aluminum, 25% titanium, 13% niobium, 8% zirconium, 8% molybdenum và 4% tantalum - bền hơn ở 800 độ C (1.472 độ F) so với nhiều hợp kim hiệu suất cao khác, bao gồm cả những loại hiện đang được sử dụng trong các bộ phận của tuabin, và vẫn bền hơn khi được đưa trở lại nhiệt độ phòng. “Do đó, đây là kết quả mang lại nhiều lợi ích cho cả năng lượng tiết kiệm và cho môi trường”, Rodriguez nói.

Năng lượng không phải là ngành duy nhất hưởng lợi từ những phát hiện này. Các nhà nghiên cứu hàng không vũ trụ cũng đang tìm kiếm những vật liệu nhẹ bền ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, nhà khoa học Nic Argibay của Phòng thí nghiệm Ames cho biết Ames và Sandia đang hợp tác để khám phá các cách đưa hợp kim như thế này sử dụng trong ngành ô tô.

Argibay cho biết: “Lý thuyết cấu trúc điện tử do Ames Lab dẫn đầu có thể cung cấp những hiểu biết về nguồn gốc đặc tính hữu ích của những nguyên tử này và chúng tôi hiện đang trong quá trình tối ưu hóa loại hợp kim mới này để giải quyết các thách thức về sản xuất và khả năng mở rộng”.

Sản xuất bồi đắp, còn được gọi là in 3D, được biết đến như một phương pháp sản xuất linh hoạt và tiết kiệm năng lượng. Một kỹ thuật in phổ biến sử dụng tia laser công suất cao để làm nóng chảy vật liệu, thường là nhựa hoặc kim loại. Sau đó, máy in sẽ lắng đọng vật liệu đó thành từng lớp, tạo ra một vật thể khi vật liệu nóng chảy nhanh chóng nguội đi và đông đặc lại.

Nghiên cứu mới này cho thấy công nghệ này cũng có thể được tái sử dụng như một cách nhanh chóng, hiệu quả để chế tạo vật liệu mới. Các thành viên của nhóm Sandia đã sử dụng máy in 3D để nhanh chóng làm tan chảy các kim loại dạng bột và sau đó lập tức in.

Sáng tạo của Sandia cũng đại diện cho một bước chuyển cơ bản trong quá trình phát triển hợp kim vì không một kim loại đơn lẻ nào chiếm hơn một nửa vật liệu. Thép có khoảng 98% là sắt kết hợp với carbon, trong số các nguyên tố khác.

Andrew nói: “Sắt và một chút carbon đã thay đổi thế giới. Chúng tôi có rất nhiều ví dụ về việc chúng tôi đã kết hợp hai hoặc ba nguyên tố để tạo ra một hợp kim kỹ thuật hữu ích. Bây giờ, chúng tôi đang bắt đầu chuyển sang bốn hoặc năm hoặc nhiều hơn nữa trong một vật liệu duy nhất. Và đó là khi nó thực sự trở nên thú vị và đầy thách thức ngành khoa học vật liệu và quan điểm luyện kim”.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu quan tâm đến việc khám phá các kỹ thuật lập mô hình máy tính tiên tiến liệu có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá thêm các thành viên của loại siêu hợp kim mới, hiệu suất cao, hướng tới sản xuất phụ gia hay không.