Los investigadores de los laboratorios nacionales Sandia y Pacific Northwest están liderando un esfuerzo de colaboración para investigar cómo el hidrógeno afecta a materiales como los plásticos, caucho, acero y aluminio.

El Consorcio de Compatibilidad de Materiales de Hidrógeno, o H-Mat, se centrará en cómo el hidrógeno afecta a los polímeros y metales utilizados en diversos sectores, incluido el transporte de pilas de combustible y la infraestructura de hidrógeno. Investigadores de Oak Ridge, Laboratorios nacionales de Savannah River y Argonne, así como en la industria y la academia, también forman parte de la colaboración. El esfuerzo apoya la iniciativa H2 @ Scale del Departamento de Energía de EE. UU., cuyo objetivo es promover la utilización del hidrógeno para la producción y el almacenamiento de energía, así como para los procesos industriales.

"Las capacidades computacionales avanzadas, Las instalaciones experimentales únicas y la experiencia científica en los laboratorios nacionales proporcionarán una mejor comprensión de las interacciones del gas hidrógeno con polímeros y metales. "dijo Chris San Marchi, Científica de materiales de Sandia y codirectora del consorcio. "El objetivo es mejorar la confiabilidad de los materiales en la infraestructura de hidrógeno para el uso a gran escala del hidrógeno como portador de energía".

Imágenes a través de dimensiones

Hoy dia, Estados Unidos produce alrededor de 10 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada año, principalmente para refino de petróleo y producción de amoniaco. La demanda de hidrógeno está creciendo en el transporte, donde se utilizan miles de pilas de combustible en carretillas elevadoras y vehículos. Las aplicaciones del hidrógeno también están surgiendo a través de la innovación en sectores adicionales, como el refinado de hierro y el almacenamiento de energía.

Estructuras metálicas actuales que contienen hidrógeno, como válvulas, tanques de combustible y recipientes de almacenamiento, se fabrican a partir de varias aleaciones caras de aluminio y acero. En tales materiales, el hidrógeno interactúa con su composición atómica de formas que pueden provocar daños. Los componentes se inspeccionan de forma rutinaria y se ponen fuera de servicio después de un número determinado de años para que este daño no provoque fallas inesperadas. Dado que los mecanismos de interacciones entre el hidrógeno y los materiales a nanoescala y microescala no se comprenden bien, Es difícil estimar la vida útil de varios componentes. Se sabe aún menos acerca de cómo el hidrógeno afecta la estructura y las propiedades mecánicas de los polímeros, como tubos de plástico y sellos de goma.

Hasta la fecha, gran parte de la infraestructura de hidrógeno existente se ha basado en investigaciones realizadas en los laboratorios nacionales para caracterizar metales y polímeros en entornos de hidrógeno de alta presión. El consorcio H-Mat busca profundizar en la ciencia subyacente de este comportamiento, mediante el uso de técnicas avanzadas de caracterización de imágenes y superficies para estudiar las interacciones del hidrógeno con materiales en escalas de tamaño que van desde la escala atomística hasta la de ingeniería. Los investigadores también están desarrollando modelos informáticos para predecir los mecanismos de estas interacciones y la evolución del daño inducido por el hidrógeno. Esas predicciones pueden ayudar a los científicos de materiales a adaptar la composición y la estructura microestructural de los materiales para resistir el daño inducido por el hidrógeno.

Mecanismos microscópicos de degradación.

El hidrógeno afecta a los metales a través de una clase de interacciones llamadas fragilización por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno y el agrietamiento inducido por hidrógeno en metales pueden ser visibles a simple vista. Pero estas grietas comienzan con interacciones entre el hidrógeno y un material con longitudes mil veces menores que el ancho de un cabello humano. Se sabe poco sobre los efectos del hidrógeno en estas pequeñas longitudes.

Se sabe mucho menos sobre cómo el hidrógeno afecta a los polímeros. Para estos materiales, El hidrógeno puede formar burbujas de gas presurizado que concentran el estrés y provocan daños. Existe una creciente evidencia de que el hidrógeno también interactúa con los polímeros a escala atómica, lo que puede mejorar los mecanismos de degradación.

Los investigadores de Sandia están estudiando el comportamiento de metales y polímeros mientras se exponen a entornos de hidrógeno de alta presión utilizando equipos únicos en el campus de Livermore. mientras que el equipo del Pacific Northwest National Lab dirige la caracterización y los estudios experimentales del agrietamiento y la degradación en polímeros.

"Los científicos de materiales de los dos laboratorios son la base de los estudios experimentales dentro de este consorcio, "dice Kevin Simmons, el científico investigador senior de PNNL que se desempeña como codirector de H-Mat. "También estamos aprovechando las capacidades computacionales de alto rendimiento de nuestros laboratorios para estudiar las interacciones fundamentales de hidrógeno y materiales".

Los investigadores de los laboratorios colaboradores brindan experiencia en imágenes avanzadas y computación adicional de alto rendimiento. Académico nuevo y existente, las asociaciones industriales e institucionales aportan conocimiento sobre las necesidades materiales para aplicaciones de infraestructura específicas, y los datos no patentados se harán públicos para acelerar la investigación y el desarrollo.