1884 年、海洋技師のチャールズ・パーソンは石炭を使用して画期的な発明である多段蒸気タービンを動かし、発電しました。この技術革命は、世界中で発電と消費の新たな夜明けを告げました。今日、人類の電力需要の増加により、より効率的なタービンと環境に優しい燃料が必要となっています。

画期的な材料技術を通じて近い将来のエネルギー需要を満たすために、テキサス A&M のエンジニアは、ガスタービンを使用して操作できる水素燃料天然ガスの代わりに。これには、高性能合金、保護コーティング、冷却システムが含まれます。

同大学のドン・リプキン教授は、「米国は2035年までにエネルギーを脱炭素化するという野心的な目標を設定した」と述べた。材料科学工学部門と助成金の主任研究者。

「私たちは、よりクリーンでより効率的な先進的なガスタービン用の材料ソリューションを必要としています。つまり、タービンはより高温で動作し、二酸化炭素を生成しないように天然ガスの代わりに水素ガスを使用できます。」

タービン変換機械エネルギー電気エネルギーに。これらの機械では、ブレードが中心シャフトに取り付けられています。これらのブレードが回転すると、ファンのブレードと同様にシャフトが回転し、発電機を回転させて電気を生成します。パーソンのタービンでは、石炭で加熱した水によって生成された蒸気によってブレードが動き始めました。

1930年代には、石炭火力発電所電力生産効率を改善し、電力削減を目的として、徐々に天然ガスへの移行が始まりました。二酸化炭素排出量。ガスタービンでは、点火した圧縮ガスの圧力によってブレードが回転し、蒸気の代わりに電気が生成されます。

次世代の高度なタービンの目標は、効率をさらに高め、天然ガスを二酸化炭素排出量が最小限の水素に置き換えることです。ただし、これらの目標により、さらに 2 つのワームの缶が開かれます。

「非常に効率的なタービンは、華氏約3000度以上のはるかに高い温度で動作する必要があり、こうした高温環境でも動作できる高度なタービン用の材料ソリューションが必要です」とリプキン氏は述べた。

「もう 1 つの問題は、空気中で水素を燃焼させると、天然ガスを燃焼させるときよりも多くの蒸気が発生することです。ほとんどのタービン材料は、高温や非常に湿った環境にさらされると、劣化が加速する兆候を示します。」

タービンの製造に使用される材料は、主にニッケルとコバルトで構成され、少量のクロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニオブなどの他の元素を含む超合金です。

ニッケル基超合金の主な問題は、ニッケル基超合金が 2400 °F で溶け始めることです。そのため、エンジニアは高融点高エントロピー合金 (RHEA) と呼ばれる新しい種類の材料システムを研究しており、その多くは 3500 °F を超える融解温度を持っています。

フェーズ 1 の下で、Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA)-E の ULTIMATE プログラム, テキサス A&M の材料科学者、レイムンド・アローヤブ博士は、有望な RHEA を多数特定しました。

「この一見不可能に見える問題を解決するために、私たちはグループで先駆的に開発された高度な合金設計ツールを活用しています」と、イブラヒム・カラマン博士とともにこのプロジェクトの共同主任研究者であるアローヤブ氏は語った。「これらの極限環境に耐えることができる新しい合金の発見は、多次元の干し草の山から針を見つけることに似ています。」

次のステップで、リプキン氏と彼のチームは、A&M チームが開発した特別なコーティングを施した RHEA が高温、酸化、湿気に同時に耐えられるかどうかをテストします。彼らは、水素燃焼ガスタービンの最も高温の部分によく似た実験装置を作成しています。

簡単に言うと、高圧の水素と空気が小さなロケットノズルの形をしたチューブを通して絞り出され、点火されます。このプロセスでは、高温の高速ガスと蒸気が生成され、超音速でノズルから出て RHEA クーポンに衝突します。

チームは、冷却ありとなしの模擬水素ガスタービン環境において、基材合金、耐酸化コーティング、遮熱コーティングを含む RHEA 材料システムの回復力を調査する予定です。

「エネルギー分野で二酸化炭素削減目標を達成する方法の一つは、全体的なエネルギー生成インフラをそのまま維持しながら、燃料として天然ガスではなく水素の燃焼に切り替えることです」とリプキン氏は述べた。

「米国のすべてのエネルギーインフラに有効な単一の解決策はありません。再生可能エネルギーと非再生可能エネルギーが混在することになるでしょう。」