Вчені пропонують створювати матеріали з урахуванням стійкості

Науковці з Федерального інституту досліджень та випробувань матеріалів у Німеччині представили нову концепцію розробки високоефективних матеріалів. Вони пропонують враховувати довговічність, можливість повторного використання та доступність сировини вже на етапі проєктування. Це має вирішити проблему зростаючої залежності від критичної сировини, обмеженої можливості переробки та втрати продуктивності під час практичного використання.

Багато високоефективних матеріалів, без яких неможливе функціонування ключових технологій майбутнього, містять рідкісні або геополітично критичні сировинні ресурси. У багатьох застосуваннях такі матеріали швидко деградують, але їх складно переробляти. Наслідками стають високі витрати, нові залежності та технологічні глухі кути. Саме тому дослідники з інституту виступають за стратегічну зміну в матеріалознавстві. Замість оптимізації матеріалів виключно для досягнення максимальної продуктивності вони пропонують з самого початку враховувати їхню довгострокову стабільність, можливість повторного використання та доступність сировини.

Тільманн Хіккель, матеріалознавець інституту та провідний автор статті, зазначає, що за останні роки науковці навчилися створювати дедалі ефективніші матеріали. Тепер настав час навчитися робити їх водночас міцнішими, довговічнішими та стійкішими. За його словами, матеріал можна вважати справді стійким лише тоді, коли він функціонує протягом тривалого часу навіть у реальних умовах експлуатації.

Новий підхід зосереджується на трьох центральних стратегіях проєктування. Перша стратегія передбачає заміну критичних елементів. Шляхом цілеспрямованої заміни критичних або дефіцитних елементів комбінацією більш доступних альтернатив можна покращити стійкість матеріалів без шкоди для їхньої продуктивності. Друга стратегія полягає в контролі та управлінні дефектами. За допомогою так званої інженерії дефектів неоднорідності в матеріалі, такі як межі зерен або наноструктури, цілеспрямовано контролюються та використовуються для покращення властивостей, зокрема стабільності або функціональності. Третя стратегія передбачає використання хімічної різноманітності. Замість покладання на кілька хімічних будівельних блоків метою є цілеспрямоване поєднання широкого спектра елементів, щоб зробити матеріали міцнішими та одночасно задовольнити кілька вимог.

Цей підхід особливо актуальний для енергетичного переходу. Легкі компоненти з сучасних високоміцних сталей можна використовувати у вітрових турбінах для збереження цінних ресурсів та будівництва ефективніших морських веж. Ці компоненти піддаються високим механічним навантаженням і повинні надійно функціонувати протягом тривалих періодів. Крім того, зростають зусилля щодо переробки хімічно складних матеріалів, таких як ці високоефективні сталі, у більшому обсязі, ніж раніше.

Дослідники не вбачають у цьому конфлікту цілей, а радше розглядають як проєктний виклик. Андреа Стуккі де Камарго, одна зі співавторів статті, підкреслює, що успіх енергетичного переходу залежить не від того, чи досягає матеріал пікової продуктивності в лабораторії, а від того, чи функціонує він надійно на практиці протягом багатьох років, чи піддається ремонту та чи може використовуватися в умовах коливання доступності сировини.

Перспективна стаття інституту базується не лише на теоретичних міркуваннях, але й на численних конкретних прикладах з поточних досліджень. У кількох класах матеріалів дослідники вже змогли частково замінити критичні або дефіцитні елементи, підтримувати функціональність протягом тривалих періодів та вирішити типові компроміси, наприклад, між ефективністю та довговічністю.

Хімічно складні матеріали для батарей вже можуть частково замінити кобальт у акумуляторних батареях. Кобальт є дорогою та геополітично критичною сировиною. У паливних елементах нові протонопровідні матеріали ефективно функціонують навіть за температур, за яких традиційні матеріали раніше виходили з ладу, завдяки своїй хімічній різноманітності. А в каталізаторах, які є незамінними в багатьох хімічних процесах, багатокомпонентні металеві сплави виявляються такими ж ефективними, як дорогоцінна платина.

Результати дослідження опубліковані в науковому журналі Current Opinion in Solid State and Materials Science. Вони демонструють, що раннє впровадження принципів стійкості в розробку матеріалів може стати ключем до забезпечення технологічної незалежності та успішного енергетичного переходу.