Znajdź zawartość

Amerykańscy naukowcy wykorzystali druk 3D do stworzenia nowego superstopu, który może pomóc w generowaniu większej ilości energii elektrycznej przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych. Nowy materiał może przydać się też w przemyśle lotniczym, kosmicznym i samochodowym, a jego opracowanie to wskazówka, gdzie należy szukać nowej klasy nadstopów o bardzo pożądanych właściwościach. Wykazaliśmy, że nasz materiał łączy niedostępne dotychczas cechy jak wysoka wytrzymałość, niska waga oraz odporność na wysokie temperatury, mówi Andrew Kustas z Sandia National Laboratories. Nowy materiał powstał we współpracy z Ames National Laboratory, Iowa State University i Bruker Corp. Większość używanej energii elektrycznej wytwarzana jest w tradycyjnych elektrowniach wykorzystujących paliwa kopalne, bądź w elektrowniach atomowych. Oba te typy zakładów produkcyjnych wykorzystują ciepło, za pomocą którego obracane są turbiny wytwarzające elektryczność. Jednym z czynników ograniczających wydajność elektrowni jest wytrzymałość turbin na temperaturę. Jeśli turbina może pracować przy wyższych temperaturach, większa część energii jest przekształcana na elektryczność, a zatem zmniejsza się ilość cepła odpadowego. Mniej energii jest marnowana, zatem cały proces jest bardziej wydajny, a wytworzenie tej samej ilości prądu wiąże się z mniejszą emisją gazów cieplarnianych. Przeprowadzone w Sandia Labs eksperymenty wykazały, że nowy stop składający się z 42% z aluminium, 25% tytanu, 13% niobu, 8% cyrkonu, 8% molibdenu i 4% tantalu jest w temperaturze 800 stopni Celsjusza znacznie bardziej wytrzymały niż wiele innych stopów, w tym takich, wykorzystywanych do produkcji turbin. Jakby tego było mało, po schłodzeniu do temperatury pokojowej jego wytrzymałość jest nadal większa niż innych stopów. Materiał taki może przydać się nie tylko w przemyśle produkcji energii. Lekkie wytrzymałe na temperaturę materiały są poszukiwane też przez przemysł lotniczy i samochodowy. Jego powstanie to również krok naprzód w produkcji stopów, gdyż żadna z jego części składowych nie stanowi więcej niż 50% stopu. Dla porównania, stal to około 98% żelaza i nieco węgla. Żelazo i szczypta węgla zmieniły świat. Mamy wiele przykładów udanych połączeń dwóch lub trzech materiałów. Teraz zaczynamy łączyć cztery, pięć i więcej pierwiastków w jeden stop. To interesujące, ale i trudne, wyzwanie z punktu widzenia metalurgii i materiałoznawstwa, stwierdza Kustas. Teraz naukowcy chcą sprawdzić, czy zaawansowane modele obliczeniowe pomogą w odkryciu nowych superstopów wykazujących tak bardzo pożądane właściwości. To niezwykle złożone mieszaniny. Wszystkie te metale wchodzą w interakcje w skali mikroskopowej, nawet atomowej, i to te interakcje determinują wytrzymałość materiału, jego topliwość, temperaturę topnienia i wiele innych właściwości. Nasze modele już teraz pozwalają na wyliczenie wielu właściwości materiału jeszcze zanim ten materiał powstanie, mówi Michael Chandross, ekspert od modelowania komputerowego w skali atomowej. Wynalazcy przyznają, że przed nimi jeszcze wiele wyzwań. Po pierwsze, prawdopodobnie trudno będzie wykonywać duże elementy z ich materiału bez pojawiania się mikroskopijnych pęknięć, które standardowo pojawiają się podczas wykorzystywania druku 3D. Po drugie zaś, materiały użyte do produkcji stopu są drogie, zatem prawdopodobnie nowy stop nie trafi do produktów konsumenckich. Jednak mimo tych problemów, jeśli uda się wdrożyć produkcję masową, może to oznaczać olbrzymi postęp, cieszy się Andrew. « powrót do artykułu

Zoptymalizowanie ustawienia turbin na farmie wiatrowej może znakomicie zwiększyć ilość produkowanej energii, jednak korzyści takie zauważymy w farmach nie przekraczających określonej wielkości, wynika z badań przeprowadzonych przez naukowców z Carnegie Institution for Science. Nie od dzisiaj wiadomo, że wydajność turbin na farmach może być znacząco mniejsza niż pojedynczych turbin. Wydajność małych farm wiatrowych może wynosić ponad 10 W/m2, to przy wielkich instalacjach spada ona do 1 W/m2. Wynika to z faktu, że turbiny zmniejszają energię wiatru, który przez nie przechodzi. Ponadto wprowadzają też turbulencje, przez które kolejne turbiny w szeregu produkują mniej energii. To już wiadomo, jednak dotychczas nie badano, co kontroluje te zjawiska, mówi autor badań, Enrico Antonioni.On i Ken Caldeira wykorzystali modele dynamiki płynów do zbadania przepływu powietrza w okolicy turbin. Najpierw przyjrzeli się indywidualnym turbinom. Później zaś symulowali pracę małych farm. Stwierdzili, że zmniejszenie zagęszczenia turbin na małej farmie, zwiększa wydajność pojedynczej turbiny. Okazało się jednak, że niezwykle ważne jest rozkład przestrzenny turbin. Ustawienie ich w szeregu lub naprzemiennie w stronę wiatru zwiększa moc wyjściową nawet o 56% w porównaniu z ustawieniem ich w kolumnie. Przy optymalnym ustawieniu turbin można wyprodukować 10, 20, a nawet 30 procent energii więcej, gdyż można zredukować interakcje pomiędzy turbinami, wyjaśnia Antonini. Zyski z odpowiedniego rozmieszczenia turbin znikały jednak w miarę rozrastania się farm. Uczeni wykorzystali więc symulacje meteorologiczne dotyczące prędkości wiatru, by sprawdzić, dlaczego tak się dzieje. W niewielkich farmach przyczyną spadku wydajności turbin są turbulencje wywoływane przez turbiny sąsiednie. Temu zjawisku można zaradzić. Natomiast w dużych instalacjach prędkość wiatru jest obniżana przez zwiększony opór aerodynamiczny w całym regionie. Co więcej, okazało się, że zaburzenia powodowane przez wielkie farmy wiatrowe mogą rozciągać się na przestrzeni dziesiątków kilometrów, negatywnie wpływając na inne farmy. Generalnie rzecz biorąc, odpowiednie ustawienie turbin przestawało przynosić korzyści, gdy farma rozciągała się na ponad 30 kilometrów. Jednak, co interesujące, sporo zależało od... szerokości geograficznej. Farmy umieszczone dalej od równika mogły być większe zanim ich wydajność spadała. Było to związane z działaniem siły Coriolisa i jej wpływem na wiatr. « powrót do artykułu