Moc obliczeniowa skoncentrowana na nanoskali ziarna identyfikuje wysokowydajne stopy do zastosowań kosmicznych
Powyżej atmosfery Ziemi, satelity i statki kosmiczne napotykają na bardzo surowe warunki w postaci ekstremalnego ciepła lub zimna i szkodliwe promieniowanie. Do zapewnienia długotrwałej integralności systemów kosmicznych i bezpieczeństwa astronautów wymagane są zaawansowane materiały i związane z nimi procesy produkcyjne. Ogromny potencjał, który niesie ze sobą modelowanie obliczeniowe, ma kluczowe znaczenie dla rozwoju w tej dziedzinie, biorąc pod uwagę praktycznie nieskończoną różnorodność materiałów. W ramach finansowanego ze środków UE projektu ICARUS opracowano narzędzia numeryczne służące do projektowania stabilnych termodynamicznie stopów metali nanokrystalicznych oraz wykazano ich użyteczność w wybranych materiałach mających znaczenie dla zastosowań w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Stabilizowanie struktury nanokrystalicznej stopów
Stopy, mieszaniny składające się z co najmniej dwóch metali, łączą w sobie najkorzystniejsze właściwości poszczególnych materiałów wchodzących w ich skład i są często wykorzystywane w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Zwiększenie grubości ziarna – wytwarzanie większych i grubszych ziaren (krystalitów lub maleńkich kryształów), co prowadzi do powstania większych porów pomiędzy ziarnami – jest ważnym czynnikiem przy doborze składu stopów nanokrystalicznych. Zwiększenie grubości ziarna jest zależne od granic ziaren, a dzięki niemu zwiększa się energia swobodna Gibbsa układu, zwana też entalpią swobodną. Wzrost ziarna wynika z termodynamicznej siły napędowej, która z kolei zależy od entalpii. Przy odpowiednim doborze stopów układ będzie stabilny, co oznacza, że siła napędowa będzie zerowa, więc nie dojedzie do zmiany wielkości i grubości ziaren.
Wysokowydajne narzędzie przesiewowe pomaga wyłonić najlepszych kandydatów
Stabilność termodynamiczna w teorii wydaje się prosta, ale w rzeczywistości jest bardzo złożona. „Rozważmy to na przypadku stopów binarnych (składających się z dwóch składników). Wybranie jedynie 10 interesujących elementów większościowych i 5 interesujących elementów mniejszościowych, daje 50 możliwych kombinacji. Jeśli chcemy zbadać 10 różnych składów procentowych i przetestować stabilność termiczną w 10 temperaturach dla każdego z nich, otrzymujemy 5 000 układów i warunków, które należy zbadać doświadczalnie!”, tłumaczy Nicolas A. Cordero, koordynator projektu. W celu rozwiązania tego problemu naukowcy projektu ICARUS opracowali wysokowydajne narzędzie przesiewowe. Przezwyciężając wyzwania związane z połączeniem klasycznej i statystycznej termodynamiki, zespół projektu ICARUS opracował ujednolicony model umożliwiający zbadanie entalpii swobodnej powierzchni. Dzięki wykorzystaniu potwierdzonych danych fizykochemicznych możliwa jest identyfikacja stabilnych termodynamicznie stopów nanokrystalicznych. Wykonanie badań na próbkach z różnych materiałów umożliwiło walidację modelu, a także udoskonalenie obecnych technik wytwarzania proszków nanokrystalicznych i spiekania części stałych.
Innowacje projektu ICARUS w powietrzu
Wysokowydajne narzędzie opracowane w ramach projektu ICARUS umożliwi inżynierom produkcję stopów nanokrystalicznych zgodnych z głównymi celami Rady Konsultacyjnej w Zakresie Badań Aeronautycznych w Europie. Będą miały one zwiększoną odporność na promieniowanie dzięki mechanizmom samonaprawczym, zwiększoną odporność termiczną dzięki wysokiemu przewodnictwu cieplnemu i niskiej rozszerzalności cieplnej, a także wysoką wytrzymałość mechaniczną przy niewielkiej masie i wysokiej wydajności, co pozwoli na zmniejszenie zużycia paliwa. Wyniki są rozpowszechniane na wiele sposobów, m.in. za pośrednictwem mediów społecznościowych, nagrań wideo, ulotek i plakatów, biuletynów oraz otwartego dostępu do publikacji naukowych. Zorganizowano również dwa warsztaty, a naukowcy zaprezentowali swoje badania podczas licznych konferencji naukowych. Cordero podsumowuje: „Dzięki projektowi ICARUS dysponujemy narzędziami obliczeniowymi, które pozwalają przewidzieć stabilność termiczną stopów nanostrukturalnych, zapewniając praktyczny sposób na selekcję odpowiednich stopów do badań eksperymentalnych. Tylko takie połączenie teorii i badań eksperymentalnych pomoże stworzyć innowacyjne materiały, które znajdą zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym”. Równoległy projekt, ICARUS-SW, który jest obecnie w trakcie realizacji, umożliwi wykorzystanie wyników projektu ICARUS w praktyce.
Słowa kluczowe
ICARUS, stopy, nanokrystaliczne, termiczne, grubość ziarna, ziarno, kosmiczne, termodynamiczne, obliczeniowe, wysokowydajne badania przesiewowe, entalpia swobodna, promieniowanie, przestrzeń kosmiczna, spiekanie, proszek