Un águila pescadora MV-22B de la Marina de los EE. UU. aterriza en el área de entrenamiento de Babadag, Rumania, en esta ilustración fotográfica de 2015, levantando nubes de partículas potencialmente peligrosas en el proceso. La investigación en NPS que emplea lo último en cerámica de ultra alta temperatura tiene el potencial de aumentar la resistencia de los motores de turbina a la ingestión de partículas, fundamental para las aeronaves del DOD que operan en entornos arenosos y salados. Crédito:Ilustración fotográfica del Cuerpo de Marines de EE. UU. por el sargento. Pablo Peterson
A fines de 2015, dos infantes de marina murieron y otros 20 resultaron heridos después de que un MV-22 Osprey se estrellara durante el entrenamiento previo al despliegue en la Base de la Fuerza Aérea Bellows en Hawái. El culpable fueron las partículas de arena y polvo en el aire que causaron apagones a los aviadores y fueron ingeridas en los motores de la aeronave, derritiéndose debido a las altas temperaturas y degradando los componentes internos, comprometiendo la potencia y sustentación de la aeronave.
Menos de un mes después, cuando el volcán Momotombo entró en erupción, los vuelos comerciales se vieron obligados a permanecer en tierra para evitar la ingestión de partículas de la explosión persistente del volcán.
La arena, el polvo y otras partículas han sido una espina en el costado de la tecnología aeronáutica durante décadas. En los años 90, el problema se centró principalmente en la erosión, pero mejores revestimientos en los motores han resuelto ese problema.
Ahora, el problema está más relacionado con las altas temperaturas generadas en los motores de turbina más nuevos, lo que permite un mayor rendimiento y potencia. Sin embargo, en su detrimento, estas temperaturas más altas derriten las partículas cuando se ingieren en el motor, lo que puede obstruir la turbina.
El estudiante de física de la Escuela de Posgrado Naval (NPS) y becario Meyer, el teniente Erick Samayoa y su asesor, el Dr. Andy Nieto, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial (MAE) de NPS, con la ayuda del profesor asistente de investigación Troy Ansell de NPS MAE y UC San El profesor de nanoingeniería Diego, Jian Luo, descubrió que las cerámicas de ultra alta temperatura (UHTC) podrían tener fobia a la arena. En otras palabras, la arena fundida no se les pega.
Su estudio, financiado por el Programa de Desarrollo de Investigación e Ingeniería Estratégica (SERDP), fue el primero en analizar el potencial de utilizar UHTC en turbinas de aviones. SERDP es un esfuerzo conjunto del Departamento de Defensa (DoD), la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y el Departamento de Energía (DoE). Este proyecto fue parte de una colaboración entre NPS, U.S. Army Lab, Stony Brook University y la empresa de materiales Oerlikon Metco.
Si bien diferentes compañías han desarrollado filtros para reducir la entrada de arena, es casi imposible mantener todas las partículas fuera de una turbina y, desafortunadamente, las partículas más pequeñas son las que se derriten más fácilmente. Otra investigación ha buscado formas de ralentizar el derretimiento de la arena y otras partículas resolidificándolas rápidamente mediante la introducción de una contrarreacción, pero esto no ha impedido que las partículas se adhieran al motor en primer lugar.
Por lo tanto, el equipo de NPS decidió analizar el problema desde el punto de vista de los materiales. Antes de llegar a NPS hace unos cuatro años, Nieto trabajó en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) y trajo su investigación y asociación con ARL a NPS.
Ansell trajo al equipo imágenes de diferentes partículas expuestas a temperaturas ultra altas capturadas con un microscopio electrónico de transmisión para ver si interactuaban con los UHTC y cómo. Luo proporcionó los materiales cerámicos y ayudó a analizar los resultados utilizando su experiencia en cerámica de alta entropía.
Samayoa dice que todo este proyecto fue una gran curva de aprendizaje ya que él era estudiante de física, pero la investigación se ajustaba bien a sus objetivos. Y la calidad de su trabajo se mostró, afirmó Nieto, diciendo que la investigación que realizó Samayoa sería un trabajo apto para un doctorado. estudiante.
A la complejidad de la investigación que utiliza UHTC se suma el desafío de simular el calor emitido por las modernas turbinas a gas. Los investigadores necesitaban encontrar una manera de probar materiales a esa temperatura, lo que requería que el equipo adquiriera el horno NPS más caliente que jamás haya tenido. Una vez en funcionamiento, el equipo de investigación desarrolló un proyecto para probar los UHTC a diferentes temperaturas durante diferentes períodos de tiempo.
"Fuimos los primeros incluso en experimentar a estas temperaturas más altas para cualquier material para estas aplicaciones", dice Nieto. "Fue completamente inesperado que a medida que aumentaba la temperatura, en realidad obtendría cierto grado de inercia química de estas cerámicas de temperatura ultra alta donde no interactuaban con la arena fundida. Abre un posible camino a seguir en la forma en que están diseñando estos motores".
Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Materialia , en diciembre de 2021. + Explora más
