Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Amerikaans lab kan nu metaalpoeder maken tot 3400 graden voor fusiereactoren
Onderzoekers van het Amerikaanse Ames Lab hebben een nieuw systeem gebouwd dat metaalpoeder kan maken bij temperaturen tot 3400 graden Celsius. Dat poeder is essentieel voor de ontwikkeling van materialen die bestand zijn tegen extreme hitte, zoals onderdelen in gasturbines en kernfusiereactoren. Het systeem moet een langdurig tekort aan zulk poeder in de Verenigde Staten oplossen.
Materialen die honderden graden boven het smeltpunt van staal moeten functioneren, zijn lastig te maken. Juist daarom bouwden onderzoekers van Ames Lab in Iowa een nieuw systeem voor plasma-atomisatie: het versproeien van gesmolten metaal tot fijn poeder. Dat poeder vormt de basis voor nieuwe legeringen die moeten worden getest voordat ze in bijvoorbeeld vliegtuigmotoren of energiecentrales terechtkomen.
Het systeem kan werken bij temperaturen tot 3400 graden Celsius en produceert tot een kilogram poeder per minuut. Daarmee kunnen onderzoekers eindelijk genoeg materiaal maken om nieuwe legeringen serieus te testen. "Teams hadden goede ideeën op papier, maar liepen vast in wachttijden van meer dan een jaar om aan het poeder te komen dat ze nodig hadden voor testen," zegt Ames Lab-wetenschapper Jordan Tiarks in een persbericht.
Waarom vuurvaste metalen zo lastig zijn
Metalen met extreem hoge smeltpunten, zoals wolfraam en tantaal, worden vuurvaste metalen genoemd. Ze zijn onmisbaar voor technologie die grote hitte moet doorstaan, maar traditionele smelt- en gietmethoden schieten vaak tekort: het materiaal is simpelweg te heet om veilig en zuiver te verwerken. Het Amerikaanse onderzoeksagentschap ARPA-E, dat de ontwikkeling van het systeem mede mogelijk maakte, erkende dat niet alleen nieuwe legeringen ontbraken, maar ook de apparatuur om er voldoende hoogwaardig poeder van te maken.
Het nieuwe systeem lost dat op met een zogeheten transferred arc plasma-proces. In plaats van een speciaal vervaardigde elektrode gebruikt de installatie een hoogenergetisch plasma om het uitgangsmateriaal, dat in vrijwel elke vorm kan worden aangeleverd, lokaal te smelten. Dat gebeurt in een watergekoelde koperen bak, waarbij de buitenste laag van het gesmolten metaal meteen weer bevriest. Zo ontstaat een beschermende korst die het gloeiend hete metaal scheidt van de koeling.
Toepassingen in turbines en fusiereactoren
Doordat maar een klein volume tegelijk vloeibaar is, blijft het proces relatief veilig en blijft het metaal minder lang op hoge temperatuur. Dat voorkomt ongewenste chemische reacties en houdt het materiaal zuiverder, aldus Tiarks.
De toepassingen liggen voor de hand. Gasturbines, zowel op de grond als in vliegtuigen, draaien nu vaak op nikkel- of kobaltlegeringen die dure koelsystemen en hittewerende coatings nodig hebben om de hoge bedrijfstemperaturen te overleven. Nieuwe, hittebestendigere legeringen zouden die koeling deels overbodig kunnen maken en de efficiëntie verhogen. Ook bij kernfusie is de vraag naar nieuwe materialen groot: onderdelen zoals een wolfraamtegel moeten plasma van honderden miljoenen graden weerstaan zonder te bezwijken.
Het systeem vult daarmee een gat naast de bestaande atomisatie-installaties van Ames Lab. Voor gewone legeringen die bij lagere temperaturen verwerkt kunnen worden, blijven de bestaande inductie- en 'close-coupled' atomizers efficiënter: die halen een opbrengst van 50 tot 60 procent bruikbaar poeder. De nieuwe installatie haalt voor extreem hittebestendige legeringen 10 tot 20 procent, maar bedient daarmee een segment dat voorheen nauwelijks te bedienen was.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Zonder voldoende poeder van hittebestendige legeringen lopen onderzoeksprojecten naar efficiëntere gasturbines en werkende kernfusiereactoren vertraging op. Door de wachttijd voor testmateriaal terug te brengen van meer dan een jaar naar iets behapbaars, kunnen Amerikaanse onderzoekers sneller nieuwe materialen ontwikkelen die essentieel zijn voor zowel schonere energieopwekking als efficiëntere luchtvaart.
- Plasma-atomisatie
- Een techniek waarbij metaal wordt gesmolten en vervolgens met een hoogenergetisch plasma verneveld tot fijn poeder, dat weer gebruikt kan worden om nieuwe materialen te maken.
- Vuurvast metaal
- Metaal met een extreem hoog smeltpunt, zoals wolfraam of tantaal, dat bestand is tegen temperaturen waarbij de meeste andere materialen al smelten.
- Transferred arc plasma-proces
- Een smelttechniek waarbij een elektrische boog van plasma lokaal een klein deel van het materiaal smelt, in plaats van het geheel te verhitten.
- Superlegering
- Een metaallegering, vaak op basis van nikkel of kobalt, die speciaal is ontwikkeld om zijn sterkte te behouden bij extreem hoge temperaturen, zoals in turbines.
- Skull-laag
- De dunne beschermlaag die ontstaat wanneer de buitenkant van gesmolten metaal tegen een gekoelde wand bevriest, en die het hete metaal scheidt van de koeling.
- ARPA-E
- Een Amerikaans overheidsagentschap dat geavanceerd energieonderzoek financiert, vergelijkbaar met het bekendere DARPA maar dan gericht op energietechnologie.
- Feedstock
- Het uitgangsmateriaal dat in een productieproces wordt gebruikt, in dit geval de metalen staven of brokken die worden gesmolten tot poeder.
- Yield (opbrengst)
- Het percentage van het geproduceerde poeder dat de juiste deeltjesgrootte heeft en dus daadwerkelijk bruikbaar is.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
