Un progetto di ricerca congiunto finanziato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti sta esplorando l’uso di minerali e rocce naturali per sviluppare materiali innovativi resistenti al calore, concentrandosi sulla sostenibilità e sull’uso efficiente degli elementi delle terre rare.
La ricerca di materiali innovativi
Il potenziale nascosto nelle rocce
Materiali estremamente duraturi e resistenti al calore potrebbero essere stati sotto i nostri occhi tutto il tempo. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti è alla ricerca di minerali e rocce, sia terrestri che spaziali, che possano celare i segreti di materiali ad alta temperatura di nuova generazione. Per scoprirlo, il DOD ha assegnato 6,25 milioni di dollari attraverso la sua iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare, o MURI, a un team dell’Università della Virginia e dell’Arizona State University, guidato dalla professoressa Elizabeth J. Opila.
Un’epoca d’oro per i materiali ad alta temperatura
La professoressa Opila afferma che è un periodo di grande sviluppo per i materiali ad alta temperatura, grazie alle esigenze nella produzione di energia, nell’ipersonica e nelle nuove tecniche come la manifattura additiva. L’obiettivo è di sfruttare la composizione dei minerali, la temperatura, la pressione e i rapidi cambiamenti di queste forze per creare materiali sintetici che superino qualsiasi cosa finora realizzata dall’uomo o dalla natura.
Alla ricerca di materiali refrattari
La necessità di materiali sempre migliori
L’Ufficio di Ricerca dell’Esercito ha richiesto proposte su Comportamenti Refrattari Emergenti in Materiali Terrestri ed Extraterrestri. Tra i vari obiettivi, il team della professoressa Opila progetterà, realizzerà, testerà e descriverà una serie di nuovi materiali destinati a superare le prestazioni delle attuali ceramiche, leghe e rivestimenti utilizzati in ambienti estremamente caldi, come ad esempio un motore a reazione a 3.000 gradi Fahrenheit.
Un team interdisciplinare
La professoressa Opila, ex scienziata della NASA e innovatrice in materiali resistenti al calore e alla corrosione, collabora con esperti in geologia, modellazione computazionale e scienza dei materiali provenienti dalle scuole di Ingegneria dell’Università della Virginia e dell’Arizona State University. I laboratori dell’ASU sono gestiti da Alexandra Navrotsky, esperta interdisciplinare in termodinamica, e Hongwu Xu, mineralogista e chimico dei materiali.
La sintesi dei campioni di prova
La sintesi dei campioni di prova inizia tradizionalmente con un elemento in forma di polvere, che viene poi alterato chimicamente per isolare un materiale target. Il nuovo composto, diluito, riscaldato e riportato a polvere, viene poi sinterizzato per formare un disco denso di materiale. Fette sottili di questo disco, chiamate “coupons”, forniscono i campioni che i ricercatori sottoporranno a vari test.
Il dilemma degli elementi delle terre rare
Uno degli obiettivi del progetto MURI è l’utilizzo degli elementi delle terre rare. Molti di questi elementi sono già utilizzati in materiali ad alta temperatura convenzionali, ma a un costo elevato. Sebbene non siano effettivamente rari, la loro separazione dal suolo e dalle rocce richiede decine di passaggi, molti dei quali inquinanti. La professoressa Opila e i suoi studenti stanno sperimentando con il xenotimo, un minerale comune, per migliorare i rivestimenti barriera ambientali, o EBC, che proteggono le parti del motore a reazione da pericoli come il vapore ad alta velocità e la sabbia del deserto.
In conclusione, il progetto MURI rappresenta un passo avanti significativo nella ricerca di materiali innovativi, con potenziali applicazioni che vanno dall’industria aerospaziale alle energie rinnovabili. La collaborazione tra diverse discipline e l’ispirazione tratta dai fenomeni geologici e planetari potrebbero portare alla scoperta di materiali che superano le prestazioni di qualsiasi cosa finora realizzata.
