1884년 해양공학자 찰스 파슨(Charles Parson)은 석탄을 사용하여 획기적인 발명품인 다단계 증기 터빈에 전력을 공급하여 전기를 생산했습니다.이 기술 혁명은 전 세계적으로 전력 생산과 소비의 새로운 시작을 의미했습니다.오늘날 인류의 전기 및 전력 수요가 증가함에 따라 보다 효율적인 터빈과 환경 친화적인 연료가 필요합니다.

획기적인 재료 기술을 통해 가까운 미래의 에너지 수요를 충족시키기 위해 Texas A&M의 엔지니어들은 다음과 같은 재료 시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.가스 터빈사용하여 작동할 수 있는수소 연료천연가스 대신.여기에는 고성능 합금, 보호 코팅 및 냉각 시스템이 포함됩니다.

"미국은 2035년까지 에너지를 탈탄소화하겠다는 야심찬 목표를 세웠습니다."라고 Don Lipkin 교수는 말했습니다.재료과학그리고 엔지니어링 부서와 보조금에 대한 주요 조사관.

"우리는 더 깨끗하고 효율적인 첨단 가스 터빈을 위한 재료 솔루션이 필요합니다. 즉, 터빈은 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있고 이산화탄소를 생성하지 않도록 천연 가스 대신 수소 가스를 사용할 수 있습니다."

터빈 변환기계적 에너지전기에너지로.이 기계 내에서 블레이드는 중앙 샤프트에 부착됩니다.이 블레이드가 팬의 블레이드처럼 회전하면 샤프트가 회전하여 발전기를 회전시키고 전기를 생산합니다.파슨의 터빈에서는 석탄을 가열한 물에서 생성된 증기에 의해 블레이드가 움직였습니다.

1930년대에는석탄 화력 발전소전력 생산 효율을 향상시키고 전력 생산을 줄이기 위해 서서히 천연가스로 전환하기 시작했습니다.이산화탄소방출.가스터빈에서는 점화된 압축 가스의 압력으로 블레이드가 회전하여 증기 대신 전기를 생산합니다.

차세대 첨단 터빈의 목표는 더욱 효율적이고 천연가스를 탄소 배출량이 최소화된 수소로 대체하는 것입니다.그러나 이러한 목표는 두 개의 다른 웜 캔을 열어줍니다.

"매우 효율적인 터빈은 화씨 3000도 이상의 훨씬 더 높은 온도에서 작동해야 하며, 우리는 이러한 더 뜨거운 환경에서 작동할 수 있는 고급 터빈을 위한 재료 솔루션이 필요합니다"라고 Lipkin은 말했습니다.

"또 다른 문제는 공기 중에서 수소를 태울 때 천연 가스를 태울 때보다 더 많은 증기를 생성한다는 것입니다. 대부분의 터빈 재료는 고온과 매우 습한 환경에 노출되면 가속화된 손상의 징후를 보입니다."

터빈을 만드는 데 사용되는 재료는 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀과 같은 소량의 다른 원소와 함께 주로 니켈과 코발트로 구성된 초합금입니다.

니켈 기반 초합금의 주요 문제점은 2400F에서 녹기 시작한다는 것입니다. 따라서 엔지니어들은 내화성 고엔트로피 합금(RHEA)이라는 새로운 종류의 재료 시스템을 조사하고 있으며, 이들 중 다수는 녹는점이 3500F 이상입니다.

1단계에서는ARPA(Advanced Research Projects Agency-Energy)-E의 ULTIMATE 프로그램, Texas A&M 재료 과학자 Dr. Raymundo Arróyave는 유망한 다수의 RHEA를 확인했습니다.

"이 겉보기에 불가능해 보이는 문제를 해결하기 위해 우리는 우리 그룹에서 개척한 고급 합금 설계 도구를 활용합니다."라고 Ibrahim Karaman 박사와 함께 이 프로젝트의 공동 연구 책임자인 Arróyave가 말했습니다."이러한 극한 환경을 견딜 수 있는 새로운 합금의 발견은 다차원 건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 비슷합니다."

다음 단계에서 Lipkin과 그의 팀은 A&M 팀이 개발한 맞춤형 코팅이 적용된 RHEA가 고온, 산화 및 습기를 동시에 견딜 수 있는지 테스트할 예정입니다.그들은 수소 연소 가스 터빈의 가장 뜨거운 부분과 매우 유사한 실험 장치를 만들고 있습니다.

간단히 말해서, 고압의 수소와 공기가 작은 로켓 노즐 모양의 튜브를 통해 압착되어 점화됩니다.이 공정에서는 초음속으로 노즐을 빠져나와 RHEA 쿠폰에 충돌하는 뜨거운 고속 가스와 증기가 생성됩니다.

팀은 냉각 유무에 관계없이 시뮬레이션된 수소 가스 터빈 환경에서 기판 합금, 산화 방지 코팅 및 열차폐 코팅을 포함한 RHEA 재료 시스템의 탄력성을 조사할 예정입니다.

Lipkin은 "에너지 부문에서 탄소 감소 목표를 달성할 수 있는 한 가지 방법은 전반적인 에너지 생성 인프라를 그대로 유지하면서 연료를 천연 가스가 아닌 수소 연소로 전환하는 것입니다."라고 말했습니다.

"미국의 모든 에너지 인프라에 대해 하나의 솔루션이 작동할 수는 없습니다. 재생 가능 에너지와 재생 불가능 에너지가 혼합될 것입니다."