Egy friss kutatás 3D röntgentechnikával elsőként mutatta be, miként hatol át a hidrogén az anyag kristályrácsán, és hogyan változtatja meg annak szerkezetét – eredményeik biztonságosabb tartályok és csővezetékek fejlesztését alapozzák meg.
A hidrogén, mint az energiaátmenet egyik kulcsfontosságú hajtóereje, hosszú távon lehetőséget kínál a közlekedés és az energiarendszerek fenntarthatóbbá tételére. Ugyanakkor a könnyű energiahordozó mechanikai szempontból komoly kihívásokat jelent: a hidrogén beivódása gyengíti az acélt, növelve a repedések és meghibásodások kockázatát. Egy új kutatás első alkalommal mutatja be 3D röntgentechnika segítségével, hogyan alakul ki ez a folyamat, feltárva, hogy a hidrogén miként hatol át a kristályrács apró résein, és változtatja meg az anyag viselkedését. Az eredmények segítenek biztonságosabb tartályokat és csővezetékeket fejleszteni, és mérnöki szempontból is alapvető lépést jelentenek a hidrogénalapú infrastruktúra megbízhatóságának növelésében.
Bepillantás a rozsdamentes acél belsejébe
Dr. David Yang és a Brookhaven Nemzeti Laboratórium csapata egy speciális képalkotási módszert alkalmazott. Ez lehetővé teszi a rozsdamentes acélszemcsék belsejében található apró hibák 3D-ben történő ábrázolását. A szakemberek által „eltolódásoknak” nevezett hibák apró szabálytalanságok az atomszerkezetben. Normális esetben ezek stabilizálják a fémet. De amint hidrogén kerül a képbe, viselkedésük megváltozik. „A hidrogén nagy potenciállal rendelkezik tiszta energiaforrásként, de arról is ismert, hogy az anyagokat, amelyekkel érintkezik, törékenyebbé teszi. Most először figyeltük meg közvetlenül, hogyan változtatja meg a hidrogén a rozsdamentes acélban mélyen a fém belsejében található hibák viselkedését reális körülmények között” – magyarázza Yang. A kísérlethez a kutatók rendkívül erős röntgensugarakat összpontosítottak, és azokat egyetlen rozsdamentes acélszemcsére irányították. Ez a szemcse csak körülbelül 700 nanométer nagyságú volt – ez egy hajszál szélességének töredéke. A Bragg koherens diffrakciós képalkotás nevű módszerrel láthatóvá tették, hogyan változott a kristályrács órák alatt.
Három meglepő hatás
Tizenkét órán keresztül a kutatók figyelték, hogyan reagál a kis acéldarab a hidrogénre. Ezalatt három figyelemre méltó változás történt: a hibák mozgékonnyá váltak.; további terhelés nélkül elkezdtek mozogni; a hidrogén nyilvánvalóan kenőanyagként hat az atomszerkezetben. A hibák „felmásztak”. Általában a diszlokációk csak egy síkban mozognak. Itt azonban felfelé másztak – ezt a folyamatot „mászásnak” nevezik. Ezt a hidrogén jelenléte tette lehetővé. A feszültségmezők összezsugorodtak. Minden diszlokáció körül van egy terület, ahol az atomok elmozdulnak. A hidrogén jelentősen csökkentette ezeket a feszültségeket. A kutatók ezt „hidrogén-rugalmassági pajzsnak” nevezik. Ez csökkenti a fémre nehezedő nyomást, de egyúttal megváltoztatja annak tulajdonságait, így az váratlanul meghibásodhat.
Miért fontos ez?
„Ez az ismeret elengedhetetlen az extrém körülmények között ellenállóbb ötvözetek fejlesztéséhez, például a jövőbeli hidrogénüzemű repülőgépekhez és magfúziós létesítményekhez” – mondja Yang. Prof. Felix Hofmann, az Oxfordi Egyetem professzora, a tanulmány társszerzője szintén hangsúlyozza a munka jelentőségét: „A koherens röntgen-diffrakció, egy roncsolásmentes módszer segítségével valós időben figyelhettük meg az atomok viselkedését a szilárd fém belsejében, anélkül, hogy fel kellett volna vágnunk a mintát. Néhány eredmény valóban meglepett minket, mivel olyan viselkedést mutattak, amire nem számítottunk.” Az eredmények nemcsak a hidrogénesedés mechanizmusainak megértésében segítenek. Adatokat szolgáltatnak szimulációkhoz is, amelyek segítségével a mérnökök a jövőben anyagokat fejleszthetnek a hidrogénipar számára.
A jövő kihívása
A csővezetékeknek, tartályoknak és repülőgépek vagy hajók alkatrészeinek a jövőben hatalmas mennyiségű hidrogén szállítására kell alkalmasnak lenniük. Már a legkisebb repedések is katasztrofális következményekkel járhatnak. Az új ismeretek segítségével talán olyan ötvözeteket lehet kialakítani, amelyek kevésbé sérülékenyek. Hofmann professzor már előre tekint: „Ez a kutatás csak azért lehetséges, mert a nemzetközi szinkrotronforrások rendkívül fényes és koherens röntgensugarakat bocsátanak rendelkezésre. Most még kifinomultabb kísérleteket tervezünk, hogy megvizsgáljuk, hogyan változtatja meg a hidrogén a más típusú hibákat. Ugyanakkor olyan modelleket fejlesztünk, amelyek segítenek az iparnak komplex hidrogénüzemanyag-rendszerek tervezésében.”
Hidrogénes ridegség
A hidrogénes ridegség a fémek szívósságának csökkenését jelenti, amikor hidrogén hatol be a kristályrácsba. Az anyag könnyebben törik – gyakran előjel nélkül.
A hidrogén a kristályhibákban („diszlokációkban”) halmozódik fel, és ott megváltoztatja a feszültségeket. A hibák mozgékonyabbá válnak, akár „mászni” is tudnak, és átrendezik a szerkezetet. A keménység csökken, repedések keletkeznek.
Hol fordul elő? Olyan alkatrészeknél, amelyek hidrogénnel érintkeznek – például nagynyomású tartályok, csővezetékek, szelepek, szerelvények, repülési és hajózási alkatrészek, valamint fúziós berendezések.
Új 3D-képalkotás – mi az újdonság?
A koherens röntgendiffrakcióval (Bragg Coherent Diffraction Imaging) a fémszemcsékben fellépő belső feszültségek és hibamozgások 3D-ben és valós időben láthatóvá tehetők – anélkül, hogy a minta megsérülne. Mit jelent ez a gyakorlatban? A mérések adatokat szolgáltatnak olyan modellekhez, amelyek segítségével az ipar és a kutatás robusztusabb ötvözeteket tud kialakítani. Cél: olyan alkatrészek, amelyek H2-környezetben hosszabb ideig tartanak és biztonságosabban működnek.
Fogalmak rövid magyarázata
Helyezkedés: vonal alakú kristályhiba, amely szabályozza a plaszticitást.
Mászás: egy elmozdulás mozgása a csúszási síkjából.
Elaszticitási pajzs: a hidrogén csökkenti a hibák körüli helyi feszültségtereket.
Forrás: www.ingenieur.de
