Flugzeuge und Kraftwerke: Forscher entwickeln Beschichtung für effizientere und umweltfreundlichere Turbinen.
Turbinen treiben Flugzeuge an, kommen aber auch in der Industrie zum Einsatz, etwa für die Energieerzeugung in Kraftwerken. Dabei gilt: Je heißer die Temperatur, bei der Brennstoff verbrannt wird, desto effizienter wird die Wärme in Strom oder Schub umgewandelt. Der reduzierte Kraftstoffverbrauch verringert sowohl Emissionen als auch Betriebskosten. Doch derzeitige Werkstoffe können teils nicht mehr weiter optimiert werden. Gefragt sind neue Materialien, die noch höhere Temperaturen vertragen, schreibt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Mit Unterstützung des US-Energieministeriums hat ein Forscherteam unter Leitung der Universität von Virginia (UVA) nun eine Möglichkeit entwickelt, mit denen Turbinentriebwerke bei höheren Temperaturen arbeiten können.
Im Fokus stand die Weiterentwicklung einer bestimmten Materialklasse: Legierungen aus sogenannten Refraktärmetallen (von lat. „refractarius“ = widerspenstig, halsstarrig) wie Titan, Hafnium und Vanadium, die mit besonderer Langlebigkeit und Hitzebeständigkeit punkten. Ihre Oxidationsbeständigkeit sei jedoch nicht ausreichend, so die Forschergruppe, so dass sie durch Beschichtungen geschützt werden müssen. Bei den bisher dafür eingesetzten Stoffen, etwa auf Basis von Silizium, sei jedoch die Grenze für weitere Leistungssteigerungen erreicht, heißt es in der Forschungsarbeit im Fachmagazin Scripta Materialia.
Seltene Erden: starke natürliche Schutzwirkung gegen Hitze
Um hier Abhilfe zu schaffen, experimentierten die Wissenschaftler mit Oxiden Seltener Erden wie Yttrium, Erbium und Ytterbium, da diese sich durch eine starke natürliche Schutzwirkung gegen Hitze auszeichnen. Um die besten Kombinationen vorherzusagen und die Leistung zu verbessern, kamen Computersimulationen und maschinelles Lernen, eine Form der Künstlichen Intelligenz, zum Einsatz. Die so entwickelten Materialien wurden anschließend auf ihre Belastbarkeit und ihre physikalischen Eigenschaften getestet, unter anderem mit Lasern.
Das Ergebnis war eine hocheffiziente Beschichtung, die nur eine einzige Lage benötigt, um das darunterliegende Substrat zu schützen. Sie wirke als Barriere gegen die Gase, die bei derart hohen Temperaturen entstehen und die Turbinenschaufeln beschädigen können, erklärt die leitende Forscherin Elizabeth J. Opila. Nun müssten weitere Tests und Optimierungen folgen, um diesen wichtigen Fortschritt in der Turbinentriebwerkstechnologie weiter auszubauen. Letzten Endes, so Opila, wäre eine höhere Effizienz in diesem Bereich nicht nur für die Energie- sowie die Luftfahrtbranche von Vorteil, es würde auch die Umwelt entlasten und die Kosten für Verbraucher senken.
Wie kritische Rohstoffe die Luftfahrt vorantreiben: Über eine andere vielversprechende Legierung für die Triebwerke der Zukunft berichteten wir im April, darin kommen die Technologiemetalle Niob, Tantal, Titan und Hafnium zum Einsatz. Ein anderes Technologiemetall, Gallium, könnte indes dabei helfen, Flugzeuge schneller zu enteisen. Winterchaos an Flughäfen ließe sich damit möglicherweise eindämmen.
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