Chceme rychlejší a levnější leteckou dopravu a levnější energii?

Nenápadně vypadající ZrO₂ bílý kompozitní prášek v sobě skrývá mimořádnou schopnost odrážet tepelnou radiaci a netušené možnosti uplatnění v leteckém průmyslu a energetice.

Účinnost leteckých motorů závisí na výši teploty uvnitř spalovací komory. Již první tryskové motory, vyvinuté před druhou světovou válkou používaly vysokotavitelné obložení destičkami grafitu, jako štít proti teplu. Od té doby uteklo hodně času, ale ochrana materiálů ve spalovací komoře a tryskách leteckých motorů před sálavým žárem je to, co umožňuje jejich efektivní provoz. Dnes se místo grafitu používají pro ochranu  kovových součástek tenké vrstvy keramických materiálů, především oxidu zirkoničitého, které dovolily zvýšení účinnosti těchto motorů z 30% o desítky procent.

Roztavený prášek se na komponenty motoru nanáší plazmovým nástřikem při teplotách mezi 10000°C a 30000°C. Po zatuhnutí tato vrstva vytváří ochrannou teplotní bariéru na jejich povrchu (Thermal Barrier Coating- TBC) J Therm Spray Tech (2017) 26:1787–1803

https://doi.org/10.1007/s11666-017-0622-x.

Pro většinu leteckého provozu s tímto standardem lze vystačit, ale pro vyšší rychlosti je nutný vyšší výkon motoru a k tomu je potřebná vyšší teplota v komoře. Přibližně lze říci, že každé zvýšení teploty ve spalovací komoře o 50°C znamená zvýšení účinnosti 5%. Nejběžněji spalování probíhá při 1200°C, ale pro rychlosti letu M=10 je nutná  teplota až 4000°C, tedy těsně pod bodem varu ZrO₂. To by bylo příliš mnoho jak z hlediska pevnosti materiálu, tak z hlediska bodu tání jak kovových slitin, tak ZrO₂ (2 715 °C). Provoz motoru při takové teplotě by nebyl schůdný bez využití nejmodernějších chladících konstrukčních prvků, rychle odvádějících teplo z povrchu. Zásadní funkce termální bariéry je však založena na faktu, že při takto vysokých teplotách dochází ke sdílení tepla prakticky téměř jenom sáláním a to dokáže TBC odrážet a zůstávat o mnoho chladnější, než její okolí.   

Česká inovační firma Advanced Materials-JTJ vyvinula kompozitní material pro termální bariéry, který po nanesení na povrch komponent dokáže až dvojciferně zvýšit odrazivost tepelné radiace a provozovat letecký motor při vyšší teplotě. Tímto způsobem lze výrazně zvětšit výkon motoru a snížit spotřebu paliva alespoň o 5%.

To by v celkovém objemu činilo výraznou úsporu a zároveň znamenalo zrychlení letecké dopravy. Další důležitý úhel pohledu je zásadní snížení letecké dopravy na životní prostředí.

Podobně by se zlepšení vlastností termálních bariér promítlo do výroby energie v plynových turbínách, které jsou populární především v USA pro vyrovnávání špiček v elektrické síti.

Výroba elektrické energie a její distribuce je technologicky poměrně složitý process, který musí respektovat, že výroba je stejná jako odběr. Pokud tato podmínka není zajištěna, hrozí změna frekvence v síti a blackout. Výkyvy příkonu a výkonu jsou tradičně vyrovnávány plynovými turbínami spalující nejčastěji zemní plyn. Poprvé byla turbína použita v Neuchâtel ve Švýcarsku a to již na počátku minulého století.   Účinnost  turbín při spalovacím procesu byla tehdy nízká, ale postupně se dostala až na 30-40% při běžné teplotě ve spalovací části 1100°C. Nedávný vývoj sponzorovaný “Department of Energy's advanced turbine program” dokázal lepším chladícím systémem komory zvýšit teplotu v turbíně až na 1425°C a zlepšit tak její účinnost až k 60%.

Studie provedené se zmíněným nano kompozitem ZrO₂ vyvinutým Advanced Materials-JTJ ukazují na možnost zvýšení energetického výkonu dnešních plynových turbín až o desítky procent. Uplatnění této technologie na trhu by mohlo ČR přinést důležitý cash flow a konkurenční výhody. Nemusíme energii jenom draze nakupovat nebo šetřit, můžeme zvýšit její produkci a snížit spotřebu především využitím materiálové chemie a nových nanotechnologií.