Die Reduzierung von CO2-Emissionen ist eines der größten Probleme, mit denen wir heute konfrontiert sind. Die Nutzung von erneuerbaren Energien und die Verbesserung der Energieeffizienz sind wichtige Schritte, die wir unternehmen müssen, um die Klimakrise zu bewältigen. Ein vielversprechender Ansatz zur Reduzierung von CO2-Emissionen kommt jedoch aus einer unerwarteten Ecke – der Materialwissenschaft.
Forscher des Sandia National Laboratories haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der Bruker Corp. eine neuartige Superlegierung entwickelt, die dazu beitragen könnte, die CO2-Emissionen von Kraftwerken zu reduzieren.
Neue Legierung ermöglicht mehr Energieeffizienz
Die Legierung besteht aus einer Mischung aus 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal und ist stärker und leichter als die Materialien, die derzeit in Gasturbinen verwendet werden.
Wir zeigen, dass mit diesem Material bisher unerreichte Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und hoher Temperaturbeständigkeit möglich sind”, so Andrew Kustas, einer der Wissenschaftler bei Sandia. “Wir glauben, dass wir dies zum Teil durch den additiven Fertigungsansatz erreicht haben.”
Mit dieser Legierung können Turbinen bei höheren Temperaturen arbeiten, was zu einer höheren Energieumwandlung in Strom führt und gleichzeitig die Abwärme reduziert, die an die Umwelt abgegeben wird.
Hitzebeständig bis 800 Grad Celsius
Besagte Superlegierung ist hitzebeständig bis zu einer Temperatur von 800 Grad Celsius und widersteht somit großen Hitzebelastungen. Die Ergebnisse der Forschung haben das Potenzial, den Energiesektor sowie die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie zu beeinflussen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie sucht ständig nach leichten Materialien, die bei hohen Temperaturen stabil bleiben, und auch die Automobilindustrie könnte die Legierung in verschiedenen Bauteilen einsetzen.
“Dies ist also ein Gewinn für eine wirtschaftlichere Energieversorgung und für die Umwelt”, sagte Sal Rodriguez, Nuklearingenieur von Sandia, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Der 3D-Druck, hat es dem Forscherteam ermöglicht, schnell und effizient neue Materialien zu herzustellen. So hat sich die additive Fertigung in den letzten Jahren
zu einer vielseitigen und energieeffizienten Fertigungsmethode entwickelt, welche auch zur schnellen und effizienten Herstellung neuer Materialien eingesetzt werden kann.
3D Druck ermöglicht Veränderungen in der Materialwissenschaft
Die Entdeckung der neuen Superlegierung unterstreicht, welche Veränderungen in der Materialwissenschaft durch die additive Fertigung möglich geworden sind. So ist das Potenzial der neuen Legierung enorm, weshalb es wahrscheinlich erscheint, dass in Zukunft weitere, ähnliche Legierungen entdeckt werden.
Die elektronische Strukturtheorie unter der Leitung des Ames Lab konnte ein Verständnis für die atomaren Ursprünge dieser nützlichen Eigenschaften liefern, und die Forscher arbeiten daran, diese neue Klasse von Legierungen zu optimieren, um die Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierbarkeit zu bewältigen.
Kleine Risse als Herausforderung
Es gibt jedoch auch Herausforderungen bei der Herstellung und Anwendung der neuen Superlegierung. Insbesondere die Herstellung in großen Mengen ohne mikroskopisch kleine Risse könnte sich als schwierig erweisen, was eine häufige Herausforderung in der additiven Fertigung darstellt. Darüber hinaus sind die Materialien, aus denen diese Legierung besteht, sehr kostspielig, was ihre Verwendung in Konsumgütern unwahrscheinlich macht.
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Bild: Markus Distelrath from Pexels
