Các nhà nghiên cứu nhanh chóng già hóa vật liệu để tìm hiểu xem vật liệu nào tồn tại lâu nhất trong các công nghệ năng lượng biển dưới nước

Các nhà nghiên cứu nhanh chóng già hóa vật liệu để tìm hiểu xem vật liệu nào tồn tại lâu nhất trong các công nghệ năng lượng biển dưới nước

    Các nhà nghiên cứu nhanh chóng già hóa vật liệu để tìm hiểu xem vật liệu nào tồn tại lâu nhất trong các công nghệ năng lượng biển dưới nước
    của Caitlin McDermott-Murphy, Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia

    New study breaks materials down—Literally

    Nhiều vật liệu phản ứng với nước muối và ứng suất giống như các nhà nghiên cứu mong đợi, nhưng một số kết hợp vật liệu—như thép và khớp composite được thấy ở đây—phản ứng kỳ lạ khi tiếp xúc với nước muối. Nhóm nghiên cứu vẫn không chắc chắn tại sao. Ảnh: Paul Murdy, NREL
    Những điều kỳ lạ đang xảy ra trong nước mặn.

    Ngày nay, một nhóm công nghệ năng lượng biển tái tạo mới chớm nở đang rời khỏi phòng thí nghiệm để trải qua các cuộc thử nghiệm đầu tiên trên sông và đại dương. Nhưng khi họ thực hiện những bước tiến lớn này đối với mục đích thương mại, nhiều người đang gặp phải một môi trường không thể đoán trước và không thân thiện: nước mặn.

    Nước mặn, như các nhà nghiên cứu năng lượng biển đang tìm hiểu, có thể thực hiện một số phản ứng hóa học trên một số loại vật liệu nhất định, khiến chúng bị ăn mòn, tương tác hoặc phân hủy theo những cách không thể đoán trước.

    Paul Murdy, kỹ sư cơ khí tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cho biết: “Một trong những lý do chúng tôi thực hiện công việc này là để các công ty không phải đầu tư nhiều thời gian và tiền bạc để tìm ra phương pháp khó khăn”.

    Đây là một cách khó khăn: Các nhà phát triển công nghệ dành rất nhiều nỗ lực và tiền bạc để thiết kế một nguyên mẫu chỉ để phát hiện ra rằng, một khi nó ra biển, các vật liệu mà họ chọn có thể không tồn tại được lâu.

    Giờ đây, kết quả từ một nghiên cứu mới trong đó các nhà nghiên cứu đã kiểm tra mức độ các vật liệu khác nhau chịu đựng cả nước mặn và các bài kiểm tra căng thẳng có thể giúp các công ty tìm ra con đường dễ dàng hơn đến đại dương.

    Nghiên cứu kéo dài nhiều năm, là nghiên cứu lớn nhất thuộc loại này, gần đây đã đạt đến đỉnh cao trong một báo cáo có tiêu đề "Xác nhận thành phần phụ của các khớp composite cho Dự án Vật liệu Tiên tiến Năng lượng Biển." Nghiên cứu đã thu thập dữ liệu rất cần thiết về lợi ích và cạm bẫy của khoảng 300 mẫu vật khác nhau được chế tạo từ các vật liệu thường được sử dụng trong các thiết bị năng lượng biển. Chúng bao gồm vật liệu tổng hợp bằng thép và sợi thủy tinh (được chế tạo bằng sợi thủy tinh kết hợp với chất dẻo có thể cứng lại vĩnh viễn) và chất kết dính liên kết chúng lại với nhau.

    Trong báo cáo tóm tắt các phương pháp và phát hiện của nghiên cứu, các tác giả giải thích vật liệu nào xuống cấp nhanh hơn dự kiến, tại sao một số hiện tượng kỳ lạ cần được nghiên cứu thêm và nỗ lực này có thể giúp cải thiện thử nghiệm vật liệu trong tương lai như thế nào.

    "Tại thời điểm này, ngành công nghiệp chỉ cần hướng dẫn," Murdy, một trong những tác giả của báo cáo cho biết.

    Để cung cấp hướng dẫn đó, Văn phòng Công nghệ Năng lượng Nước của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thành lập một nhóm đa tổ chức do Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đứng đầu cùng với các cộng tác viên từ Đại học Florida Atlantic, Đại học Bang Montana, NREL và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.

    Từ năm 2019 đến 2022, nhóm đã sản xuất nhiều mẫu vật có kích thước bằng viên gạch cũng như các thành phần phụ lớn hơn có hình dạng phổ biến. Bằng cách đó, những phát hiện của nghiên cứu có thể được áp dụng cho các thành phần được sử dụng trong hầu hết mọi thiết bị năng lượng biển. Tại NREL, Murdy và các đồng nghiệp của ông đã sản xuất 300 mẫu vật ở sáu dạng hình học khác nhau (chẳng hạn như kết nối bắt vít hình chữ T) để thể hiện sự kết hợp khác nhau của các vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong ngành năng lượng biển, bao gồm sợi thủy tinh, thép và chất kết dính.

    Để kiểm tra xem những vật liệu này có thể tồn tại đến 20 năm như thế nào trong môi trường mặn và ẩm ướt, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Florida và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đã cho các bộ phận này vào bể nước biển. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đã thiết kế một số bồn tắm để khuyến khích sự phát triển tự nhiên của vi sinh vật. Nhưng bồn tắm đại dương của Bang Florida đặc biệt cực hình, sử dụng nước ở nhiệt độ nóng hơn, được làm nóng đến khoảng 136 độ F. Nhiệt có thể làm lão hóa vật liệu nhanh chóng, giống như việc tắm nắng quá mức có thể làm lão hóa da nhanh chóng.

    Cuối cùng, sau khi ngâm vật liệu trong tối đa 18 tháng, nhóm đã vận chuyển các bộ phận này trở lại Phòng thí nghiệm Công nghệ Kết cấu của NREL để kiểm tra ứng suất. Đối với một số thử nghiệm này, một chiếc máy từ từ kéo vật liệu cho đến khi nó bị gãy; ở những nơi khác, một cỗ máy khác kéo và thả vật liệu, đôi khi hơn một triệu lần, cho đến khi nó thoát ra. Murdy nói: “Chúng tôi đang cố gắng áp dụng tải trọng cả đời người trong vài ngày đến vài tuần.

    Thông qua tất cả các thử nghiệm (hoặc cực hình) này, nhóm đã thu thập dữ liệu về thời gian tồn tại của một số vật liệu nhất định, liệu một số vật liệu có bị phân hủy hoặc ăn mòn nhanh hơn trong nước mặn hay không và vật liệu nào hấp thụ nhiều nước hơn—một dấu hiệu khác cho thấy thiết bị có thể không tồn tại được lâu trong đại dương. Và mặc dù nhiều thông tin hơn luôn là điều tốt, nhưng một số phát hiện của nhóm có thể không giúp nhà phát triển dễ dàng chọn được tài liệu tốt nhất.

    Murdy nói: “Một số rất tốt trong một số trường hợp nhưng lại rất, rất tệ trong những trường hợp khác. "Và mỗi vật liệu đều có giá trị riêng, điều này sẽ khiến việc lựa chọn trở nên đặc biệt khó khăn."

    Một số mẫu vật, bao gồm cả những mẫu có thép nhúng sâu trong hỗn hợp, được giữ vững tốt. Nhưng những thứ khác, chẳng hạn như những thứ kết hợp một hỗn hợp sợi thủy tinh cụ thể với một loại thép nhất định, thể hiện 

    ăn mòn đáng kể. Một số bộ phận bị hỏng hoàn toàn hoặc bị ăn mòn quá mức để hoạt động. Và các vật liệu chịu nhiệt độ cao hấp thụ nhiều nước hơn, điều này không có gì đáng ngạc nhiên, mặc dù ngay cả độ bão hòa một phần cũng ảnh hưởng đến độ bền và độ bền của vật liệu.

    Nhưng điều ngạc nhiên lớn nhất là một số mẫu có các phản ứng khác nhau — và bất thường — đối với nước Thái Bình Dương so với nước Đại Tây Dương, ăn mòn với tốc độ nhanh chóng mặt ở vùng biển Bờ Tây. "Chúng tôi nghĩ rằng nó có liên quan đến tính chất hóa học của nước mặn," Murdy nói. Hoặc, nó có thể liên quan đến oxy; nước ở Thái Bình Dương có nồng độ oxy cao hơn nước ở Đại Tây Dương. Nhưng các nhà nghiên cứu không chắc chính xác điều gì đang xảy ra.

    Tiếp theo, nhóm đa tổ chức có kế hoạch điều tra thêm về chất hóa học nước mặn kỳ lạ này với nhiều thử nghiệm nước mặn hơn nữa. Phòng thí nghiệm cũng sẽ thử nghiệm với các vật liệu khác, chẳng hạn như nhựa dẻo có thể tái chế và đánh giá xem loại nào có thể phù hợp nhất cho in 3D, điều này có thể giúp ngành năng lượng biển sản xuất các nguyên mẫu nhanh hơn và với chi phí tổng thể thấp hơn.

    Tuy nhiên, ngoài việc tìm hiểu cách các vật liệu khác nhau phản ứng với muối và ứng suất, nhóm nghiên cứu còn có một mục tiêu khác trong đầu. Thông qua quá trình kéo dài 3 năm này, các phòng thí nghiệm đã học được rằng các vật liệu thử nghiệm có thể vô cùng quý giá đối với ngành năng lượng biển, nhưng nó cũng tốn nhiều thời gian và tiền bạc. Giờ đây, dựa trên nỗ lực quy mô lớn đầu tiên này, họ hy vọng sẽ hoàn thiện quy trình để giúp việc thử nghiệm các vật liệu trong tương lai bớt cồng kềnh hơn và chính xác hơn một chút.

    Vì các thiết bị năng lượng biển phải xử lý sóng mạnh khi ngâm mình trong nước mặn, nên việc kết hợp bể nước mặn với thử nghiệm độ bền có thể là một cách chính xác hơn để xem vật liệu có thể tồn tại như thế nào trong các nhiệm vụ trên biển.

    Murdy cho biết: “Vật liệu composite đã được sử dụng rất nhiều trong ngành hàng không vũ trụ và năng lượng gió. "Nhưng thách thức lớn là tính đến môi trường biển, điều mà ít được hiểu rõ. Bạn càng hiểu biết nhiều, bạn càng tiết kiệm được nhiều chi phí trong thời gian dài."

    Zalo
    Hotline