1884 में, समुद्री इंजीनियर चार्ल्स पार्सन ने बिजली उत्पादन के लिए अपने अभूतपूर्व आविष्कार, मल्टी-स्टेज स्टीम टरबाइन को बिजली देने के लिए कोयले का उपयोग किया।इस तकनीकी क्रांति ने दुनिया भर में बिजली उत्पादन और खपत की एक नई सुबह को चिह्नित किया।आज, मानवता की बढ़ती बिजली और ऊर्जा आवश्यकताओं के लिए अधिक कुशल टर्बाइनों और पर्यावरण के अनुकूल ईंधन की आवश्यकता है।

नवीन सामग्री प्रौद्योगिकी के माध्यम से निकट भविष्य की ऊर्जा जरूरतों को पूरा करने के लिए, टेक्सास ए एंड एम के इंजीनियरों का लक्ष्य एक सामग्री प्रणाली विकसित करना हैगैस टरबाइनजिसका उपयोग कर कार्य किया जा सकता हैहाइड्रोजन ईंधनप्राकृतिक गैस के बजाय.इसमें उच्च-प्रदर्शन मिश्र धातु, सुरक्षात्मक कोटिंग्स और शीतलन प्रणाली शामिल होंगी।

में प्रोफेसर डॉ. डॉन लिपकिन ने कहा, "संयुक्त राज्य अमेरिका ने 2035 तक ऊर्जा को डीकार्बोनाइज करने का एक महत्वाकांक्षी लक्ष्य निर्धारित किया है।"पदार्थ विज्ञानऔर इंजीनियरिंग विभाग और अनुदान पर प्रमुख अन्वेषक।

"हमें उन्नत गैस टर्बाइनों के लिए सामग्री समाधान की आवश्यकता है जो स्वच्छ और अधिक कुशल दोनों हों; यानी, टर्बाइन बहुत अधिक तापमान पर काम कर सकते हैं और प्राकृतिक गैस के बजाय हाइड्रोजन गैस का उपयोग कर सकते हैं ताकि कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन न हो।"

टर्बाइन परिवर्तित होते हैंमेकेनिकल ऊर्जाविद्युत ऊर्जा को.इन मशीनों के भीतर, ब्लेड एक केंद्रीय शाफ्ट से जुड़े होते हैं।जब ये ब्लेड पंखे के ब्लेड की तरह घूमते हैं, तो शाफ्ट घूमता है, जिससे जनरेटर चालू हो जाता है और बिजली पैदा होती है।पार्सन की टरबाइन में, ब्लेड को कोयले से गर्म किए गए पानी से उत्पन्न भाप द्वारा गति में सेट किया गया था।

1930 के दशक में,कोयला चालित विद्युत संयंत्रबिजली उत्पादन दक्षता में सुधार और कमी लाने के लिए धीरे-धीरे प्राकृतिक गैस की ओर रुख करना शुरू कर दियाकार्बन डाईऑक्साइडउत्सर्जन.गैस टर्बाइनों में, प्रज्वलित संपीड़ित गैस का दबाव ब्लेडों को भाप के बजाय बिजली उत्पन्न करने में बदल देता है।

उन्नत टर्बाइनों की अगली पीढ़ी का लक्ष्य और भी अधिक कुशल होना और प्राकृतिक गैस को हाइड्रोजन से बदलना है, जिसमें न्यूनतम कार्बन पदचिह्न हो।हालाँकि, ये लक्ष्य कीड़े के दो अन्य डिब्बे खोलते हैं।

लिपकिन ने कहा, "बहुत कुशल टर्बाइनों को बहुत अधिक तापमान, लगभग 3000 फ़ारेनहाइट या उससे अधिक पर संचालित करने की आवश्यकता होती है, और हमें उन्नत टर्बाइनों के लिए सामग्री समाधान की आवश्यकता होती है जो इन गर्म तापमानों में काम कर सकें।"

"दूसरी समस्या यह है कि जब आप हवा में हाइड्रोजन जलाते हैं, तो आप प्राकृतिक गैस जलाने की तुलना में अधिक भाप बनाते हैं। उच्च तापमान और बहुत गीले वातावरण के संपर्क में आने पर अधिकांश टरबाइन सामग्री त्वरित संकट के संकेत दिखाएगी।"

टर्बाइन बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियां सुपरअलॉय हैं जो मुख्य रूप से निकल और कोबाल्ट से बनी होती हैं, जिसमें थोड़ी मात्रा में क्रोमियम, एल्यूमीनियम, टंगस्टन, मोलिब्डेनम और नाइओबियम जैसे अन्य तत्व होते हैं।

निकल-आधारित सुपरअलॉय के साथ मुख्य समस्या यह है कि वे 2400 एफ पर पिघलना शुरू करते हैं। इसलिए, इंजीनियर दुर्दम्य उच्च एन्ट्रॉपी मिश्र (आरएचईए) नामक सामग्री प्रणाली की एक नई श्रेणी की जांच कर रहे हैं, जिनमें से कई का पिघलने का तापमान 3500 एफ से ऊपर है।

के चरण 1 के अंतर्गतउन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी-ऊर्जा (ARPA)-ई का अंतिम कार्यक्रम, टेक्सास ए एंड एम सामग्री वैज्ञानिक डॉ. रेमुंडो अरोयेव ने कई आशाजनक आरएचईए की पहचान की।

"इस असंभव प्रतीत होने वाली समस्या को हल करने के लिए, हम अपने समूहों में अग्रणी उन्नत मिश्र धातु डिजाइन उपकरणों का उपयोग करते हैं," अरोयेव ने कहा, जो डॉ. इब्राहिम करमन के साथ इस परियोजना में सह-प्रमुख अन्वेषक हैं।"इन चरम वातावरणों को झेलने में सक्षम नई मिश्र धातुओं की खोज बहुआयामी भूसे के ढेर में सुई खोजने के समान है।"

अगले चरण में, लिपकिन और उनकी टीम परीक्षण करेगी कि क्या ए एंड एम टीम द्वारा विकसित अनुरूप कोटिंग वाले आरएचईए एक साथ उच्च तापमान, ऑक्सीकरण और नमी को सहन कर सकते हैं।वे हाइड्रोजन-चालित गैस टरबाइन के सबसे गर्म हिस्से जैसा एक प्रायोगिक सेट-अप बना रहे हैं।

सीधे शब्दों में कहें तो, अत्यधिक दबाव वाले हाइड्रोजन और हवा को छोटे रॉकेट-नोजल आकार की ट्यूबों के माध्यम से निचोड़ा जाएगा और प्रज्वलित किया जाएगा।यह प्रक्रिया गर्म, उच्च-वेग वाली गैस और भाप उत्पन्न करती है जो सुपरसोनिक गति से नोजल से बाहर निकलती है और आरएचईए कूपन से टकराती है।

टीम आरएचईए सामग्री प्रणाली के लचीलेपन की जांच करेगी - जिसमें सब्सट्रेट मिश्र धातु, ऑक्सीकरण-प्रतिरोधी कोटिंग और थर्मल बैरियर कोटिंग शामिल है - एक नकली हाइड्रोजन गैस टरबाइन वातावरण में शीतलन के साथ और बिना।

लिपकिन ने कहा, "ऊर्जा क्षेत्र में अपने कार्बन कटौती लक्ष्यों को पूरा करने का एक तरीका यह है कि हम अपने समग्र ऊर्जा उत्पादन बुनियादी ढांचे को बरकरार रखें, लेकिन प्राकृतिक गैस के विपरीत, ईंधन के रूप में हाइड्रोजन जलाने पर स्विच करें।"

"अमेरिका में सभी ऊर्जा बुनियादी ढांचे के लिए कोई एक समाधान काम नहीं करेगा; यह नवीकरणीय और गैर-नवीकरणीय का मिश्रण होगा।"