1884 年，海洋工程師查爾斯·帕森 (Charles Parson) 使用煤炭為他的開創性發明——多級蒸汽渦輪機提供動力，從而發電。這場技術革命標誌著全球發電和消費的新曙光。如今，人類不斷增長的電力和電力需求需要更有效率的渦輪機和環保燃料。

為了透過突破性的材料技術滿足不久的將來的能源需求，德州 A&M 的工程師致力於開發一種材料系統瓦斯渦輪機可以使用氫燃料而不是天然氣。這將包括高性能合金、保護塗層和冷卻系統。

「美國制定了一個雄心勃勃的目標，即在 2035 年實現能源脫碳，」該學院教授唐·利普金 (Don Lipkin) 博士說。材料科學以及工程部門和首席研究員的撥款。

“我們需要更清潔、更有效率的先進燃氣渦輪機材料解決方案；也就是說，渦輪機可以在更高的溫度下工作，並使用氫氣代替天然氣，從而不產生二氧化碳。”

渦輪機轉換機械能到電能。在這些機器中，刀片連接到中心軸。當這些葉片像風扇葉片一樣旋轉時，軸就會旋轉，從而轉動發電機並產生電力。在帕森的渦輪機中，葉片由煤熱水產生的蒸汽驅動。

在1930年代，燃煤電廠慢慢開始轉向天然氣，以提高發電效率並減少二氧化碳排放。在燃氣渦輪機中，點燃的壓縮氣體產生的壓力使葉片轉動以產生電力而不是蒸汽。

下一代先進渦輪機的目標是提高效率，並以碳足跡最小的氫氣取代天然氣。然而，這些目標也帶來了另外兩個麻煩。

「非常高效的渦輪機需要在更高的溫度下運行，大約 3000 華氏度或更高，我們需要能夠在這些更熱的條件下運行的先進渦輪機的材料解決方案，」利普金說。

“另一個問題是，當你在空氣中燃燒氫氣時，會比燃燒天然氣時產生更多的蒸汽。大多數渦輪機材料在暴露於高溫和非常潮濕的環境中時會表現出加速損壞的跡象。”

用於製造渦輪機的材料是主要由鎳和鈷組成的超級合金，以及少量的其他元素，例如鉻、鋁、鎢、鉬和鈮。

鎳基高溫合金的主要問題是它們在 2400 F 時開始熔化。

根據第一階段能源高級研究計劃局 (ARPA)-E 的終極計劃德州 A&M 材料科學家 Raymundo Arróyave 博士發現了許多有前景的 RHEA。

「為了解決這個看似不可能的問題，我們利用了我們團隊首創的先進合金設計工具，」與 Ibrahim Karaman 博士一起擔任該計畫聯合首席研究員的 Arróyave 說道。“發現能夠承受這些極端環境的新合金就像在多維大海撈針一樣。”

下一步，Lipkin 和他的團隊將測試帶有 A&M 團隊開發的客製化塗層的 RHEA 是否能夠同時耐受高溫、氧化和潮濕。他們正在創建一個與氫燃氣渦輪機最熱部分非常相似的實驗裝置。

簡而言之，高壓氫氣和空氣將被擠壓通過小型火箭噴嘴形狀的管子並被點燃。該過程產生熱的高速氣體和蒸汽，以超音速從噴嘴排出並撞擊 RHEA 試樣。

該團隊將研究 RHEA 材料系統（包括基體合金、抗氧化塗層和熱障塗層）在有冷卻和無冷卻的模擬氫氣渦輪環境中的彈性。

利普金說：“我們實現能源領域碳減排目標的一種方法是保持我們整體能源生產基礎設施的完整性，但改用燃燒氫氣作為燃料，而不是天然氣。”

“沒有一種解決方案能夠適用於美國的所有能源基礎設施；它將是可再生能源和不可再生能源的混合體。”