1884 年，海洋工程师查尔斯·帕森 (Charles Parson) 使用煤炭为他的开创性发明——多级蒸汽涡轮机提供动力，从而发电。这场技术革命标志着全球发电和消费的新曙光。如今，人类不断增长的电力和电力需求需要更高效的涡轮机和环保燃料。

为了通过突破性的材料技术满足不久的将来的能源需求，德克萨斯 A&M 的工程师致力于开发一种材料系统燃气轮机可以使用氢燃料而不是天然气。这将包括高性能合金、保护涂层和冷却系统。

“美国制定了一个雄心勃勃的目标，即到 2035 年实现能源脱碳，”该学院教授唐·利普金 (Don Lipkin) 博士说。材料科学以及工程部门和首席研究员的拨款。

“我们需要更清洁、更高效的先进燃气轮机材料解决方案；也就是说，涡轮机可以在更高的温度下工作，并使用氢气代替天然气，从而不产生二氧化碳。”

涡轮机转换机械能到电能。在这些机器中，刀片连接到中心轴上。当这些叶片像风扇叶片一样旋转时，轴就会旋转，从而转动发电机并产生电力。在帕森的涡轮机中，叶片由煤热水产生的蒸汽驱动。

在20世纪30年代，燃煤电厂慢慢开始转向天然气，以提高发电效率并减少二氧化碳排放。在燃气轮机中，点燃的压缩气体产生的压力使叶片转动以产生电力而不是蒸汽。

下一代先进涡轮机的目标是提高效率，并用碳足迹最小的氢气取代天然气。然而，这些目标也带来了另外两个麻烦。

“非常高效的涡轮机需要在更高的温度下运行，大约 3000 华氏度或更高，我们需要能够在这些更热的条件下运行的先进涡轮机的材料解决方案，”利普金说。

“另一个问题是，当你在空气中燃烧氢气时，会比燃烧天然气时产生更多的蒸汽。大多数涡轮机材料在暴露于高温和非常潮湿的环境中时会表现出加速损坏的迹象。”

用于制造涡轮机的材料是主要由镍和钴组成的超级合金，以及少量的其他元素，例如铬、铝、钨、钼和铌。

镍基高温合金的主要问题是它们在 2400 F 时开始熔化。因此，工程师正在研究一种称为耐火高熵合金 (RHEA) 的新型材料系统，其中许多材料的熔化温度高于 3500 F。

根据第一阶段能源高级研究计划局 (ARPA)-E 的终极计划德克萨斯 A&M 材料科学家 Raymundo Arróyave 博士发现了许多有前景的 RHEA。

“为了解决这个看似不可能的问题，我们利用了我们团队首创的先进合金设计工具，”与 Ibrahim Karaman 博士一起担任该项目联合首席研究员的 Arróyave 说道。“发现能够承受这些极端环境的新合金就像在多维大海捞针一样。”

下一步，Lipkin 和他的团队将测试带有 A&M 团队开发的定制涂层的 RHEA 是否能够同时耐受高温、氧化和潮湿。他们正在创建一个与氢燃气轮机最热部分非常相似的实验装置。

简而言之，高压氢气和空气将被挤压通过小型火箭喷嘴形状的管并被点燃。该过程产生热的高速气体和蒸汽，以超音速从喷嘴排出并撞击 RHEA 试样。

该团队将研究 RHEA 材料系统（包括基体合金、抗氧化涂层和热障涂层）在有冷却和无冷却的模拟氢气涡轮环境中的弹性。

利普金说：“我们实现能源领域碳减排目标的一种方法是保持我们整体能源生产基础设施的完整性，但改用燃烧氢气作为燃料，而不是天然气。”

“没有一种解决方案能够适用于美国的所有能源基础设施；它将是可再生能源和不可再生能源的混合体。”