La Universidad de Virginia desarrolla recubrimientos avanzados para mejorar la eficiencia de los motores de turbinas eólicas
Un equipo de investigación de la Universidad de Virginia (UVA) ha desarrollado recubrimientos innovadores que permiten a los motores de turbina operar a temperaturas más elevadas sin comprometer la integridad de sus componentes. Liderado por Elizabeth J. Opila, directora del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UVA, el proyecto ha logrado avances significativos en la creación de recubrimientos protectores basados en óxidos de tierras raras, lo que podría contribuir a mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones en aplicaciones industriales y aeronáuticas.
Los recubrimientos desarrollados por el equipo de Opila permiten que los motores de turbina operen a temperaturas superiores, una condición que incrementa su eficiencia térmica. Opila explica que “a temperaturas más altas, se obtiene más trabajo por cada unidad de calor ingresada”, lo cual se traduce en menor consumo de combustible y menores costes operativos. Estas ventajas explican el apoyo del programa ARPA-E Ultimate del Departamento de Energía de los Estados Unidos, interesado en alcanzar temperaturas cercanas a los 1.800 °C en turbinas, muy superiores a los 1.200 °C que permiten las superaleaciones de níquel actuales. Este logro podría implicar una mejora considerable en la sostenibilidad y rentabilidad de los sistemas de generación de energía.
El equipo de investigación ha empleado óxidos de tierras raras como el itrio, el erbio y el iterbio para desarrollar un recubrimiento monocomponente, evitando los diseños multicapa que suelen limitarse a temperaturas más bajas debido a la fusión de algunos de sus componentes, como el silicio. Según Kristyn Ardrey, exalumna de doctorado y autora principal del estudio, “al combinar múltiples óxidos de tierras raras, se logran propiedades adaptadas que protegen mejor el sustrato subyacente”. Este enfoque simplificado proporciona mayor resistencia al calor y a la oxidación, ofreciendo una alternativa sólida y duradera para las condiciones extremas en las que operan las turbinas.
El trabajo fue realizado con un enfoque multidisciplinar y colaborativo, contando con el apoyo de los profesores Bi-Cheng Zhou y Prasanna Balachandran, quienes contribuyeron mediante simulaciones computacionales y técnicas de aprendizaje automático. Estos métodos facilitaron la selección y mejora de combinaciones de materiales de alto rendimiento. Además, se colaboró con el Laboratorio ExSiTE de UVA, especializado en la medición de resistencia térmica de materiales mediante láser, para verificar la eficiencia de los nuevos recubrimientos.
Aunque los hallazgos representan un importante avance, el equipo reconoce que se requieren pruebas adicionales para optimizar estos recubrimientos y mejorar su aplicabilidad. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Scripta Materialia en junio de 2024, abriendo nuevas oportunidades para la tecnología de recubrimientos en el ámbito industrial. Además de la financiación de ARPA-E, el proyecto ha recibido apoyo de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., subrayando el interés estratégico en aplicaciones energéticas más eficientes y sostenibles.
