De zeci de ani, industria materialelor avansate caută un metal capabil să rămână stabil și rezistent la peste 1.000 de grade Celsius, fără să devină casant sau să se oxideze. Materialele numite refractare, precum cele pe bază de tungsten sau molibden, au un punct de topire foarte ridicat, însă sunt fragile la temperaturi scăzute și se degradează rapid în contact cu oxigenul. Pe de altă parte, superaliajele pe bază de nichel, folosite în prezent în turbine și motoare, oferă o bună rezistență mecanică, dar nu pot depăși pragul de aproximativ 1.100 °C fără să își piardă proprietățile.

Echipa condusă de dr. Doris Liedke și prof. Horst Hahn a pornit de la această problemă. Printr-un proces de sinteză controlată, cercetătorii au obținut un aliaj pe bază de crom și molibden, cu aproximativ trei procente de siliciu adăugat. Deși proporția de siliciu este mică, ea s-a dovedit esențială: adăugarea acestui element a împiedicat formarea compușilor fragili specifici și a stabilizat o structură unifazică de tip cubic centrat pe corp — o arhitectură atomică asociată în mod normal cu rezistența, dar nu și cu ductilitatea.

Rezultatul a fost un material care își menține rezistența și flexibilitatea la temperatura camerei, dar și o comportare stabilă până la peste 1.000 °C. Testele efectuate au arătat că aliajul rezistă la oxidare mult mai bine decât compușii similari pe bază de molibden, păstrându-și integritatea după expuneri repetate la temperaturi ridicate. La suprafața metalului se formează un strat protector subțire de oxid de crom, dens și aderent, care împiedică pătrunderea oxigenului și oprirea procesului de coroziune. Sub acest strat se dezvoltă o zonă bogată în molibden, ce acționează ca barieră împotriva evaporării oxidului volatil MoO₃ și împotriva pătrunderii azotului.

Mai mult, o cantitate foarte mică de siliciu contribuie la stabilizarea interfeței prin formarea unei pelicule discrete de dioxid de siliciu (SiO₂), care reduce agresivitatea oxigenului și împiedică desprinderea stratului protector. Prin combinarea acestor trei mecanisme, cercetătorii au obținut o protecție durabilă, care permite metalului să reziste în medii oxidative fără pierderi semnificative de masă.

În timpul testelor de oxidare ciclică, aliajul și-a păstrat structura intactă până la 1.100 °C și a demonstrat o rată de degradare extrem de lentă. De asemenea, probele mecanice au indicat o rezistență impresionantă la solicitări și o capacitate de deformare controlată, semn că materialul nu se rupe brusc — o caracteristică rară în cazul metalelor refractare. Punctul de topire al acestui aliaj depășește 1.900 °C, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații în care alte metale ar ceda mult mai devreme.

Descoperirea ar putea avea implicații importante pentru industria aeronautică și energetică. Dacă materialul va putea fi produs în cantități mari și prelucrat eficient, el ar putea fi folosit în componente precum palele de turbină, camerele de ardere sau duzele motoarelor, acolo unde combinația de rezistență, greutate redusă și stabilitate termică este esențială. O astfel de inovație ar permite funcționarea motoarelor la temperaturi mai mari, crescând eficiența arderii și reducând consumul de combustibil și emisiile de dioxid de carbon.

Cercetătorii avertizează însă că mai sunt multe etape până la utilizarea industrială. Materialul trebuie testat în condiții reale pentru a determina comportamentul său la deformare lentă (creep), la oboseală termică și la contactul cu gaze reactive. De asemenea, trebuie stabilită compatibilitatea sa cu alte aliaje și metodele de fabricație — sudură, turnare sau prelucrare mecanică — pentru a putea fi integrat în structuri complexe.

În ciuda acestor provocări, rezultatele obținute reprezintă un pas major către o nouă generație de materiale capabile să funcționeze în condiții extreme. Dacă testele ulterioare confirmă performanțele observate în laborator, noul aliaj pe bază de crom, molibden și siliciu ar putea deveni unul dintre cele mai durabile materiale dezvoltate vreodată, combinând rezistența termică cu maleabilitatea — o combinație considerată până acum aproape imposibilă.

Prin această descoperire, cercetătorii de la Karlsruhe oferă o nouă perspectivă asupra modului în care pot fi proiectate materialele metalice ale viitorului. Aliajul lor nu doar rezistă acolo unde altele cedează, ci redefinește limitele a ceea ce poate însemna durabilitatea în inginerie. Într-o lume care caută constant eficiență și sustenabilitate, acest metal ar putea deveni baza pentru tehnologii energetice și aeronautice mai curate, mai sigure și mai performante.

Articolul Cercetătorii germani au creat un metal aproape indestructibil, stabil la temperaturi extreme apare prima dată în Tech Zoom.

Echipa de la Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), responsabilă de W7-X, a injectat aproximativ 90 de pelete de hidrogen îngheţat în camera de plasmă. Fiecare peletă avea un diametru de aproximativ 0,04 inchi (≈1 mm). În paralel, plasma a fost încălzită cu microunde până la temperaturi ce au depăşit 20 de milioane de grade Celsius, atingând ocazional chiar aproape de 30 de milioane de grade. Satisfacerea simultană a trei factori esenţiali — densitate de plasmă, temperatură și durata de confinare — este cheia pentru a atinge ceea ce se numeşte criteriul de Lawson (adică producerea mai multă energie decât se consumă).

Formatul în care funcţionează W7-X este diferit de cel al tokamakurilor clasice: instalaţia este un stellarator, ceea ce înseamnă că utilizează un câmp magnetic „învârtit” în 3D care poate confina plasma fără a necesita curent electric intern pentru stabilitate. Avantajul major: potenţialul operaţional continuu, nu doar în explozii scurte. Aşa cum echipa IPP notează, a atinge o durată mai mare de funcţionare stabilă a plasmei este un pas important spre un reactor comercial de fuziune.

Un element central al succesului a fost sistemul de injectare de pelete de la Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Acesta a produs şi a introdus în mod continuu cilindri de hidrogen îngheţat în plasmă, sincronizat cu ciclurile de încălzire. Injectorul a permis menţinerea densităţii de plasmă într-o gamă optimă, astfel încât să se menţină temperatura necesară pentru reacţie fără prăbuşirea acesteia. Peletele au avut şi un alt rol: au ajutat la stabilizarea impurităţilor şi la netezirea condiţiilor de la marginea plasmei — două surse frecvente de pierdere de energie.

Pe lângă durata record de 43 de secunde, W7-X a înregistrat și alte două borne importante:

• Energia totală consumată/gestionată („energy turnover”) a atins 1,8 gigajouli în aproximativ şase minute, faţă de 1,3 gigajouli în începutul lui 2023.
• Raportul de presiune plasmă/câmp magnetic (beta) a ajuns la 3%, apropiindu-se de ţinta de 4-5% pentru reactoarele comerciale. Creşterea valorii beta fără apariţia instabilităţilor este una dintre cele mai dificile provocări în proiectarea fuziunii.

Echipa W7-X îşi propune mai departe: durate de încălzire tot mai lungi, un control îmbunătăţit al injecţiei de pelete şi o pregătire mai bună a pereţilor camerei de plasmă pentru a reduce impurităţile.
Obiectivul: să menţină performanţe ridicate pe durate de ordinul minutelor, în condiţii stabile, pregătind calea pentru utilizarea continuă într-un reactor de fuziune comercial.

…

Rezultatul de la W7-X reprezintă un pas important spre fuziunea nucleară practică. Prin combinarea unui design de stellarator, alimentare prin pelete de hidrogen, şi încălzire intensivă, cercetătorii au demonstrat că este posibil să se obţină o plasmă de mare performanţă pentru un timp semnificativ. Dacă următorii paşi vor fi la fel de suc­­cesi, suntem cu un pas mai aproape de visul energiei curate, nelimitate şi fără emisii.

Articolul Energia viitorului prinde contur – reușită spectaculoasă la reactorul de fuziune W7-X apare prima dată în Tech Zoom.