Una potenza di calcolo concentrata su grani nanometrici individua leghe ad alte prestazioni per lo spazio
Al di sopra dell’atmosfera isolante della Terra, i satelliti e le navicelle spaziali incontrano ambienti molto ostili, caratterizzati da calore o freddo estremo e da radiazioni dannose. Per garantire l’integrità a lungo termine dei sistemi spaziali e la sicurezza degli astronauti sono necessari materiali e processi di produzione associati avanzati. Data la varietà pressoché infinita di materiali, la potenza della modellizzazione computazionale è fondamentale per lo sviluppo. Il progetto ICARUS, finanziato dall’UE, ha sviluppato gli strumenti numerici per la progettazione di leghe metalliche nanocristalline termodinamicamente stabili, dimostrandone inoltre l’utilità su materiali selezionati di interesse per le applicazioni aerospaziali.
Stabilizzare la struttura nanocristallina delle leghe
Le leghe, sostanze metalliche costituite da due o più elementi, sono ampiamente utilizzate nell’industria aerospaziale per integrare le migliori proprietà dei singoli metalli. Quando si utilizzano leghe nanocristalline, un fattore importante è l’ingrossamento, ovvero, come suggerisce la parola, la produzione di grani più grandi e grossolani (cristalliti o cristalli minuscoli) che portano alla formazione di pori più larghi tra i grani. I bordi di grano sono fondamentali per questo processo in quanto aumentano l’eccesso di energia libera di Gibbs del sistema. La crescita dei grani è una conseguenza della forza motrice termodinamica per ridurre tale eccesso. La stabilizzazione termodinamica elimina la forza motrice, e quindi la crescita dei grani e l’ingrossamento, attraverso un’adeguata selezione delle leghe.
Lo screening ad alto rendimento punta sui migliori candidati
Sebbene la stabilizzazione termodinamica sia concettualmente semplice, il coordinatore del progetto, Nicolas A. Cordero, ne illustra la complessità nella pratica: «Prendiamo il caso delle leghe binarie (costituite da due elementi). Selezionando anche solo 10 elementi maggioritari interessanti e 5 elementi minoritari interessanti, abbiamo 50 combinazioni possibili. Se vogliamo indagare 10 diverse composizioni percentuali e testarne la stabilità termica a 10 temperature per ciascuna di esse, ci ritroviamo con 5 000 sistemi e condizioni da indagare sperimentalmente!». ICARUS ha sviluppato uno strumento di screening ad alto rendimento per risolvere questo problema. Superando le sfide derivanti dal combinare la termodinamica classica e la termodinamica statistica, ICARUS ha fornito un modello unificato che consente di esplorare la superficie dell’energia libera di Gibbs ed è in grado di individuare leghe nanocristalline termodinamicamente stabili sulla base dei dati chimici e fisici noti. La fabbricazione di campioni candidati ha permesso la validazione del modello e il miglioramento delle tecniche attuali per la creazione di polveri nanocristalline e la sinterizzazione di pezzi solidi.
L’innovazione di ICARUS prende il volo
Lo strumento di screening ad alto rendimento di ICARUS consentirà agli ingegneri di creare leghe nanocristalline in grado di soddisfare importanti obiettivi del Consiglio consultivo per la ricerca aeronautica in Europa, tra cui la maggiore resistenza alle radiazioni attraverso meccanismi di autoguarigione, la maggiore resistenza termica grazie all’elevata conduzione del calore e alla scarsa espansione termica e, infine, l’elevata forza meccanica che combina il peso ridotto alle prestazioni elevate per un minor consumo di combustibile. I risultati sono distribuiti in numerosi modi, anche attraverso pagine dei social media, video, opuscoli e poster, e newsletter, nonché attraverso due workshop, la partecipazione a una serie di conferenze, e pubblicazioni scientifiche aperte a tutti. Cordero sintetizza: «ICARUS ha creato strumenti di calcolo in grado di prevedere la stabilità termica delle leghe a struttura nanocristallina, fornendo un modo pratico per selezionare le leghe adatte da sottoporre a test sperimentali. È solo grazie a questa interazione tra teoria e sperimentazione che è possibile produrre i materiali innovativi necessari per le applicazioni spaziali presenti e future». Un progetto parallelo, ICARUS-SW, sta ora iniziando a preparare il terreno per lo sfruttamento del codice ICARUS.
Parole chiave
ICARUS, leghe, nanocristallino, termico, ingrossamento, grano, aerospaziale, termodinamica, computazionale, screening ad alto rendimento, energia libera di Gibbs, radiazione, spazio, sinterizzazione, polvere