أقوى من النار.. ابتكار معدن خارق لا يذوب ولا يتآكل حتى عند 1100 درجة

كريترنيوز /متابعات /السيد محمود المتولي

تعتبر ارتفاع درجة الحرارة من أكثر العوائق التي تواجه محركات الطائرات النفاثة والتوربينات الغازية والتي تصل إلى الحدود القصوى لقدرة المعدن على التحمل، فابتكر العلماء معدناً خارقاً بمواصفات نادرة.

نُشرت دراسة في مجلة “نيتشر” في وقت سابق من هذا الشهر، تُقدّم سبيكةً قادرة على تحمّل درجات حرارة تزيد على 1100 درجة مئوية ، ومقاومة للصدأ، والحفاظ على ليونتها حتى في درجة حرارة الغرفة – وهو مزيج نادر في عالم المعادن عالية الأداءوفق موقع الأرض.

من المعروف أن السبائك الفائقة التقليدية القائمة على النيكل، والتي تُعدّ أساس ريش التوربينات ومكونات المحركات حالياً تفقد قوتها عند عتبة 1100 درجة مئوية، ويتطلب الوصول إلى درجة حرارة أعلى من ذلك أنظمة تبريد متطورة، وطلاءات خاصة، أو تنازلات في الأداء، أما السبائك الجديدة، على النقيض من ذلك، فتُحقق كل ذلك دون أي تنازلات هندسية مُعتادة.

يكمن سر أداء هذه السبائك في تركيبها الكيميائي البسيط وهندستها الهيكلية الدقيقة، حيث تتكون المادة بشكل أساسي من مزيج من الكروم والموليبدينوم، وكلاهما معروف بمتانته وقدرته على تحمل الحرارة، لكن إضافة 3% فقط من السيليكون يُحدث الفرق.

البنية الدقيقة للسبائك المدروسة

يُشجّع السيليكون على تكوين طبقة كثيفة وبطيئة النمو من أكسيد الكروم على سطح السبيكة، وهي درع غير مرئي يمنع الأكسجين والنيتروجين من تحلل المعدن عند درجات الحرارة العالية.

وعلى عكس التصاميم السابقة، يُحقق هذا الدرع ذلك دون تكوين سيليكات هشة ، والتي كانت تُضعف اللدونة وتُعرّض السبائك المماثلة للتشقق.

قال مارتن هايلماير ، المؤلف المشارك في دراسة نيتشر والأستاذ في معهد كارلسروه للتكنولوجيا: ” هذا ليس مجرد تكرار آخر للمعادن الحرارية، لقد تمكنا من التوفيق بين القوة والليونة ومقاومة الأكسدة – وهو مجال تصميمي ضيق للغاية”.

وذكر موقع Earth.com ، أن الاختبارات المعملية أظهرت أن السبائك حافظت على سلامتها الميكانيكية بعد 100 ساعة من التعرض لهواء بدرجة حرارة 1100 درجة مئوية، متحملةً دورات حرارية متكررة دون أي تدهور ملحوظ، وتقترب درجة انصهارها من 2000 درجة مئوية ، مما يمنحها نطاق تشغيل واسعاً بشكل غير معتاد.

التأثيرات على الطيران وتوليد الطاقة

في المحركات النفاثة، تُعدّ كل درجة حرارة إضافية في مدخل التوربين مهمة، ووفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، فإن رفع هذه الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية يُمكن أن يُحسّن الكفاءة الحرارية بنحو 5% ، مما يُؤدي إلى توفير كبير في استهلاك الوقود في أساطيل الطائرات بأكملها، إلا أن المواد الحديثة تُقيّد درجة حرارة تشغيل المحركات بأمان.

يمكن لسبائك الكروم-الموليبدينوم-السيليكون الجديدة، التي لم يُطلق عليها اسم بعد، أن تزيد من هذا السقف الحراري، مما يُمكّن المصممين من تقليل متطلبات التبريد وتبسيط تصنيع الأجزاء، مع تقليل الحاجة إلى الطلاءات أو القنوات الداخلية المعقدة، يمكن أن تصبح الأجزاء أكثر موثوقية وأقل تكلفةً بمرور الوقت.

يُذكر أن السبيكة صُنعت بتقنية الصهر القوسي، وهي طريقة سهلة نسبياً، وقد ثبت ثباتها حتى بعد المعالجة الحرارية عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية