En un experimento único en su tipo, Los investigadores utilizaron neutrones para investigar el rendimiento de una nueva aleación de aluminio en un motor de gasolina, mientras el motor estaba en marcha.

Un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía trabajó con socios de la industria para realizar la prueba, que analizó si una aleación de alto rendimiento prometedora para aplicaciones automotrices resistía el calor y el estrés de un motor de combustión interna.

La hazaña fue la primera para la fuente de neutrones de espalación, dijo Ke An, científico principal de instrumentos para el instrumento VULCAN de la instalación. "Esta fue la primera vez que se hizo funcionar un motor de combustión interna en nuestro difractómetro, y, hasta donde sabemos, en cualquier otro, " él afirmó.

Las propiedades únicas de los neutrones les permiten penetrar materiales de manera no destructiva, revelando detalles fundamentales sobre la estructura atómica de un material. VULCAN utiliza neutrones para medir la tensión y la tensión en grandes muestras industriales, lo que lo hizo ideal para evaluar una culata fundida a partir de una aleación de aluminio-cerio ORNL desarrollada en asociación con Eck Industries.

El científico de materiales de ORNL Orlando Ríos, quien ha estado trabajando a través del Critical Materials Institute para explorar el uso del cerio como agente reforzante para aleaciones de aluminio, dirigió el experimento.

"Nuestro experimento confirmó que nuestra aleación supera a otras aleaciones de aluminio a temperaturas elevadas, "Dijo Ríos.

"La industria automotriz está actualmente interesada en aleaciones que puedan resistir las demandas de altas temperaturas de nuevos, tecnologías energéticamente eficientes, ", explicó." Nuestra composición de aluminio-cerio muestra una estabilidad excepcional a temperaturas superiores a 500 grados Celsius [932 grados Fahrenheit], lo cual es inaudito para las aleaciones de aluminio ".

Teniente Eric Stromme, un Navy Tours con Industry Fellow que ayudó en el proyecto, adicional, "Con una aleación de aluminio estable a altas temperaturas, los motores podrían funcionar más calientes, y los componentes podrían hacerse más ligeros, impulsando la eficiencia y el ahorro de combustible ".

Con la ayuda de colegas de las instalaciones de demostración de fabricación de ORNL y el Centro Nacional de Investigación de Transporte, El equipo de Ríos fundió la culata de cilindros Al-Ce utilizando moldes de arena impresos en 3-D y adaptó el componente a un motor prototipo diseñado específicamente para VULCAN.

Durante el experimento de tres días, con el motor deteniéndose y reiniciando a través de un encendido remoto desde la sala de control de VULCAN, la difracción de neutrones permitió a los investigadores "ver" la estabilidad de alta temperatura de Al-Ce durante el régimen operativo del motor.

Los materiales experimentan fuerzas complejas y temperaturas extremas durante la combustión interna, por lo que los investigadores querían medir el rendimiento del material durante las condiciones operativas reales.

"Realmente pusimos el motor a prueba. Probablemente fue el experimento más ruidoso que se llevó a cabo en SNS, "señaló Ríos, quien trabajó en el proyecto con el postdoctorado de ORNL Michael Kesler y el becario del Centro Bredesen de la Universidad de Tennessee Zachary Sims.

"Todo el equipo quedó impresionado por la calidad de los datos de VULCAN, especialmente dado que los neutrones tenían que viajar a través de la estructura completa del motor antes de ser observados por nuestros detectores para proporcionar información sobre la culata en funcionamiento, "Eso es realmente notable", dijo Ríos.

Un agregado, "Lo que hemos logrado es una prueba de concepto para demostrar la viabilidad y el valor de este tipo de experimento".

An señaló la eficacia de la colaboración entre disciplinas entre ORNL y los socios de la industria para apoyar el esfuerzo. Actualmente está trabajando para agilizar el proceso para los futuros usuarios de VULCAN.

"Este fue un experimento fundamental no solo para comprender mejor esta aleación, sino también para proporcionar un análisis más amplio que permitirá nuevas aleaciones, no solo compuestos de aluminio, para ser procesado de esta manera, ", Dijo Ríos." El experimento demuestra los beneficios de acoplar la ciencia fundamental con la investigación y el desarrollo en etapa inicial de nuevos materiales y tecnologías. Esperamos que lo que estamos aprendiendo a través de este experimento se pueda aplicar a muchos otros materiales en una amplia gama de aplicaciones ".

Esta investigación fue patrocinada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE a través del Critical Materials Institute, un centro de innovación energética del DOE, con fondos adicionales de la Oficina de Ciencias del DOE. Los socios incluyen el Laboratorio Nacional Ames, ORNL, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Laboratorio Nacional de Idaho, y Eck Industries. La División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL dirigió el experimento en colaboración con la Instalación de Demostración de Fabricación, Centro Nacional de Investigación de Transporte, y el equipo de instrumentos de VULCAN.