Hitze-trotzende Wunder: Erforschung von Erde und Weltraum für ultimative Materialien

Forscher der University of Virginia und der Arizona State University, finanziert vom US-Verteidigungsministerium, untersuchen Minerale und Gesteine auf ihr Potenzial zur Entwicklung der langlebigsten und hitzebeständigsten Materialien. Quelle: SciTechDaily.com

Ein gemeinsames Forschungsprojekt, finanziert vom US-Verteidigungsministerium, untersucht die Verwendung natürlicher Mineralien und Gesteine zur Entwicklung bahnbrechender hitzebeständiger Materialien mit Fokus auf Nachhaltigkeit und effizienter Nutzung seltener Erdelemente.

Die langlebigsten und hitzebeständigsten Materialien, die je hergestellt wurden, könnten sich genau vor unseren Augen verbergen.

Das US-Verteidigungsministerium möchte wissen, ob Minerale und Gesteine, die auf der Erde und im Weltraum gefunden werden, das Geheimnis der hochtemperaturfesten Materialien der nächsten Generation bergen. Um dies herauszufinden, hat das Verteidigungsministerium im Rahmen seines Multidisziplinären Universitätsforschungsprogramms (MURI) 6,25 Millionen US-Dollar an ein Team von der University of Virginia und der Arizona State University vergeben. Die Gruppe wird von Elizabeth J. Opila von der University of Virginia geleitet, die den Rolls-Royce Commonwealth Professor und den Vorsitzenden des Fachbereichs für Materialwissenschaft und -technik innehat.

Der hochkompetitive MURI finanziert grundlegende wissenschaftliche Forschung, von der das Verteidigungsministerium hofft, dass sie zu Durchbrüchen in seinen Interessensgebieten durch gemeinsame Erkenntnisse aus verschiedenen Disziplinen führen wird.

"Es ist eine Boomzeit für Hochtemperaturmaterialien aufgrund von Bedürfnissen in der Energieproduktion, der Hyperschalltechnik und neuen Dingen wie additiver Fertigung, die im Feld aufkommen", sagte Opila. "Die Menschen erkunden neue Zusammensetzungen, bei denen verschiedene Elemente auf verschiedene Weise gemischt werden. Darüber hinaus denken wir über diese geologisch und planetarisch inspirierten Materialien nach, was viel Spaß macht."

Minerale und Gesteine sind im Vergleich zu den Verbindungen, mit denen Materialwissenschaftler normalerweise arbeiten, komplex, so Opila, und deshalb ist das Potenzial des Projekts aufregend.

Der Postdoktorand Sandamal Witharamage (rechts) ist Teil des Teams von Professor Elizabeth J. Opila, das unter einem Multidisziplinären Universitätsforschungsprogramm des Verteidigungsministeriums neuartige, von Planeten und Geologie inspirierte Hochtemperaturmaterialien entwickelt. Quelle: University of Virginia School of Engineering and Applied Science

"Die Geologen konzentrieren sich wirklich darauf, wie die Erde entstanden ist und wo wir diese verschiedenen Substanzen finden können", sagte Opila. "Wir möchten dieses Wissen in den Anwendungsbereich übertragen."

Indem sie spezifische physikalische Eigenschaften auswählen, werden die Forscher die Verwendung von Mineralzusammensetzungen, Temperatur, Druck und den schnellen Veränderungen dieser Kräfte imitieren, um ihre synthetischen Materialien herzustellen. Ziel ist es, die Mittel und Inhaltsstoffe, aus denen Hochtemperaturmaterialien verarbeitet werden können, dramatisch zu erweitern und für andere zu dokumentieren, und dabei alles zu übertreffen, was bisher von Menschen oder der Natur hervorgebracht wurde.

Um den Bedarf an immer besseren feuerfesten Materialien zu decken - solche, die Hitze oder korrosiven Bedingungen standhalten, hat das Army Research Office Vorschläge zu emergenten feuerfesten Eigenschaften in Erd- und extraterrestrischen Materialien angefordert. Als Teil ihrer Aufgaben werden Opilas Team unter anderem neue Materialien entwerfen, herstellen, testen und beschreiben, die aktuelle Keramiken, Legierungen und Beschichtungen übertreffen sollen, die in intensiv heißen Umgebungen verwendet werden - zum Beispiel in einem Jet-Triebwerk mit 3.000 Grad Fahrenheit.

Opila ist ehemalige Wissenschaftlerin der NASA und Innovatorin in hitze- und korrosionsbeständigen Materialien. Ihre Mitarbeiter sind Experten für Geologie, computergestützte Modellierung und Materialwissenschaften von der School of Engineering and Applied Science der University of Virginia und den School of Engineering of Matter, Transport and Energy; Molecular Sciences; und Earth and Space Exploration der Arizona State University.

Opilas Ko-Hauptermittler von der School of Engineering der University of Virginia sind Patrick E. Hopkins, der Whitney Stone Professor of Engineering für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, sowie der Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik Bi-Cheng Zhou.

Hopkins' ExSiTE-Labor ist auf lasergestützte Techniken zur Messung thermischer Eigenschaften spezialisiert. Sein Labor wird dabei helfen, die von dem Team entwickelten Materialien zu charakterisieren.

Zhou ist ein berechnungsmodellierender Experte, der Variationen der CALPHAD-Methode erfunden hat, um deren Fähigkeiten zu erweitern. Er und ein weiterer Experte für berechnungsmodellierung, der Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik Qijun Hong von der Arizona State University, werden ihre jeweilige Expertise nutzen, um die Entdeckung vielversprechender "Rezepte" für Experimentallabore an beiden Universitäten zu beschleunigen.

Die Labore der Arizona State University werden von Alexandra Navrotsky geleitet, einer renommierten interdisziplinären Expertin in Thermodynamik und Direktorin des Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, und Hongwu Xu, einem Mineralogen und Materialchemiker sowie Professor an den School of Molecular Sciences und Earth and Space Exploration der ASU.

The teams will make and analyze prospective recipes — often exchanging samples for testing, Opila said, with her lab bringing extreme heat, while the ASU labs apply intense pressure as well as high-temperature testing.

Synthesis of test samples traditionally starts with an element in powder form, said UVA Ph.D. student Pádraigín Stack, which is chemically altered to isolate a target material, or a component of a target.

The new composition, which has been diluted, heated, and dried back to a powder, is then sintered, a process applying enough heat and pressure to form a dense puck of material. Thin slices from the puck, called coupons, provide the samples researchers will subject to various tests — for example, exposing it to steam at high velocities in Opila’s lab or, at ASU, applying geological-like pressures with a diamond anvil.

In addition to these traditional synthesis methods, the team will try approaches inspired by planetary or geological phenomena, such as hydrothermal synthesis, which occurs in heated water at elevated pressures. Since water is abundant in Earth’s hot, pressurized interior, hydrothermal processes are associated with, for example, the formation of minerals containing rare earth elements — critical components for many renewable energy applications.

In the lab, hydrothermal synthesis involves forming crystals in a hot water-based solution in a closed vessel such that gaseous molecules moving atop the liquid exert high vapor pressure within the system.

One focus of the MURI project is utilizing rare earth elements. Many rare earth elements are already used in conventional high-temperature materials, such as environmental barrier coatings in aviation and hypersonic flight, as well as batteries, LED devices and other increasingly in-demand products — but at a steep cost. While not actually rare, separating the elements from soil and rock requires dozens of steps, most of them polluting.

“All these rare earth oxides that we’re going to use are in minerals right now,” Opila said. “Somebody mines them and then they have to separate them all. For example, ytterbium and lutetium are neighbors on the periodic table. They are so chemically similar, it takes 66 steps involving many chemicals resulting in nasty waste products.”

The separation problem led Opila to ask a question at the heart of another project she and her students are working on that’s related to the MURI: “What if you take a mineral made of elements you want straight out of the ground but not separate them, just clean it up a bit and make your material from that?”

They’re experimenting with xenotime, a common mineral, to improve environmental barrier coatings, or EBCs, which protect jet engine parts from hazards like high-velocity steam and desert sand. Ingested sand can melt into glass and react with the underlying alloy if it infiltrates the coating.

“We know certain minerals are stable because we can find them in the ground,” Stack said. “You don’t find metallic iron in the ground, you find iron oxide because iron oxide is what’s stable. Let’s explore why something is stable, or if it has other useful properties, and use that knowledge to make something better.”