En 1884, el ingeniero marino Charles Parson utilizó carbón para impulsar su innovador invento, la turbina de vapor de múltiples etapas, para producir electricidad.Esta revolución tecnológica marcó un nuevo amanecer en la generación y el consumo de energía en todo el mundo.Hoy en día, las crecientes necesidades de electricidad y energía de la humanidad requieren turbinas más eficientes y combustibles respetuosos con el medio ambiente.

Para satisfacer las necesidades energéticas del futuro cercano a través de tecnología de materiales innovadora, los ingenieros de Texas A&M pretenden desarrollar un sistema de materiales paraturbinas de gasque puede operar usandocombustible de hidrógenoen lugar de gas natural.Esto incluirá aleaciones de alto rendimiento, revestimientos protectores y sistemas de refrigeración.

"Estados Unidos se ha fijado el ambicioso objetivo de descarbonizar la energía para 2035", dijo el Dr. Don Lipkin, profesor de laciencias de los materialesy departamento de ingeniería e investigador principal de la subvención.

"Necesitamos soluciones materiales para turbinas de gas avanzadas que sean a la vez más limpias y más eficientes; es decir, que las turbinas puedan funcionar a temperaturas mucho más altas y utilizar gas hidrógeno en lugar de gas natural para no producir dióxido de carbono".

Las turbinas se conviertenenergía mecánicaa la energía eléctrica.Dentro de estas máquinas, las cuchillas se unen a un eje central.Cuando estas aspas giran, como las aspas de un ventilador, el eje gira, hace girar un generador y produce electricidad.En la turbina de Parson, las palas se ponía en movimiento gracias al vapor producido por el agua calentada con carbón.

En la década de 1930,centrales eléctricas de carbónlentamente comenzó a cambiar al gas natural para mejorar la eficiencia de la producción de energía y reducirdióxido de carbonoemisiones.En las turbinas de gas, la presión del gas comprimido encendido hace girar las palas para producir electricidad en lugar de vapor.

Los objetivos de la próxima generación de turbinas avanzadas son ser aún más eficientes y sustituir el gas natural por hidrógeno, que tiene una huella de carbono mínima.Sin embargo, estos objetivos abren otras dos latas de gusanos.

"Las turbinas muy eficientes necesitan operar a temperaturas mucho más altas, alrededor de 3000 Fahrenheit o más, y necesitamos soluciones de materiales para turbinas avanzadas que puedan operar en estos regímenes más calientes", dijo Lipkin.

"El otro problema es que cuando se quema hidrógeno en el aire, se produce más vapor que cuando se quema gas natural. La mayoría de los materiales de las turbinas mostrarán signos de deterioro acelerado cuando se exponen a altas temperaturas y ambientes muy húmedos".

Los materiales utilizados para fabricar las turbinas son superaleaciones compuestas predominantemente de níquel y cobalto, con pequeñas cantidades de otros elementos, como cromo, aluminio, tungsteno, molibdeno y niobio.

El principal problema con las superaleaciones a base de níquel es que comienzan a fundirse a 2400 F. Por lo tanto, los ingenieros están investigando una nueva clase de sistema de materiales llamado aleaciones refractarias de alta entropía (RHEA), muchas de las cuales tienen temperaturas de fusión superiores a 3500 F.

En la Fase 1 delAgencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA)-Programa ULTIMATE de E, el Dr. Raymundo Arróyave, científico de materiales de Texas A&M, identificó una serie de RHEA prometedores.

"Para resolver este problema aparentemente imposible, utilizamos herramientas avanzadas de diseño de aleaciones pioneras en nuestros grupos", dijo Arróyave, coinvestigador principal de este proyecto junto con el Dr. Ibrahim Karaman."El descubrimiento de nuevas aleaciones capaces de resistir estos entornos extremos es como encontrar una aguja en un pajar multidimensional".

En el siguiente paso, Lipkin y su equipo probarán si los RHEA con recubrimientos personalizados desarrollados por el equipo de A&M pueden tolerar simultáneamente altas temperaturas, oxidación y humedad.Están creando una configuración experimental que se parece mucho a la parte más caliente de una turbina de gas alimentada por hidrógeno.

En pocas palabras, el hidrógeno y el aire altamente presurizados se exprimirán a través de pequeños tubos con forma de boquilla de cohete y se encenderán.Este proceso genera gas y vapor calientes a alta velocidad que salen de la boquilla a velocidades supersónicas e inciden en las muestras de RHEA.

El equipo investigará la resiliencia del sistema de materiales RHEA, incluida la aleación del sustrato, el revestimiento resistente a la oxidación y el revestimiento de barrera térmica, en un entorno simulado de turbina de gas de hidrógeno con y sin refrigeración.

"Una forma de cumplir nuestros objetivos de reducción de carbono en el sector energético es mantener intacta nuestra infraestructura general de generación de energía, pero pasar a quemar hidrógeno como combustible, en lugar de gas natural", dijo Lipkin.

"Ninguna solución funcionará para toda la infraestructura energética de Estados Unidos; será una combinación de energías renovables y no renovables".