Eind 2015 werden twee mariniers gedood en 20 anderen raakten gewond nadat een MV-22 Osprey was neergestort tijdens een training voorafgaand aan de uitzending op de luchtmachtbasis Bellows in Hawaï. De boosdoener was in de lucht zwevende zand- en stofdeeltjes die de vliegers onder druk zetten en in de motoren van het vliegtuig terechtkwamen, smelten als gevolg van de hoge temperaturen en verslechterende interne componenten die het vermogen en de lift van het vliegtuig in gevaar brachten.

Minder dan een maand later, toen vulkaan Momotombo uitbarstte, moesten commerciële vluchten aan de grond blijven om de opname van deeltjes door de aanhoudende explosie van de vulkaan te voorkomen.

Zand, stof en andere fijnstof zijn al decennia een doorn in het oog van de vliegtuigtechnologie. In de jaren '90 was het probleem vooral gericht op erosie, maar betere coatings op de motoren hebben dat probleem opgelost.

Nu is het probleem meer gerelateerd aan de hoge temperaturen die worden gegenereerd in nieuwere turbinemotoren, waardoor de prestaties en het vermogen toenemen. In hun nadeel smelten deze hogere temperaturen echter deeltjes wanneer ze in de motor worden ingeslikt, wat de turbine kan verstoppen.

Naval Postgraduate School (NPS) natuurkundestudent en Meyer Scholar Lt. Erick Samayoa en zijn adviseur Dr. Andy Nieto, NPS Assistant Professor of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) - met de hulp van collega NPS MAE Assistant Research Professor Troy Ansell en UC San Diego NanoEngineering Professor Jian Luo ontdekte dat keramiek met ultrahoge temperatuur (UHTC's) zandfoob kan zijn. Met andere woorden, gesmolten zand plakt er niet aan.

Hun studie, gefinancierd door het Strategic Engineering and Research Development Program (SERDP), was de eerste die het potentieel bekeek van het gebruik van UHTC's in vliegtuigturbines. SERDP is een gezamenlijke inspanning van het ministerie van Defensie (DoD), het Environmental Protection Agency (EPA) en het ministerie van Energie (DoE). Dit project maakte deel uit van een samenwerking tussen NPS, het U.S. Army Lab, Stony Brook University en het materialenbedrijf Oerlikon Metco.

Hoewel verschillende bedrijven filters hebben ontwikkeld om de opname van zand te verminderen, is het bijna onmogelijk om elk deeltje uit een turbine te houden, en helaas zijn de kleinste deeltjes degene die het gemakkelijkst smelten. Ander onderzoek heeft gekeken naar manieren om het smelten van zand en andere deeltjes te vertragen door ze snel opnieuw te laten stollen door de introductie van een tegenreactie, maar dit heeft er in de eerste plaats niet voor gezorgd dat deeltjes aan de motor blijven plakken.

Het NPS-team besloot daarom het probleem vanuit een materiaalstandpunt te bekijken. Voordat Nieto ongeveer vier jaar geleden naar de NPS kwam, werkte hij bij het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium (ARL) en bracht hij zijn onderzoek en samenwerking met ARL met zich mee naar de NPS.

Ansell bracht beelden naar het team van verschillende deeltjes die werden blootgesteld aan ultrahoge temperaturen, vastgelegd met een transmissie-elektronenmicroscoop om te zien of en hoe ze interageren met de UHTC's. Luo leverde de keramische materialen en hielp bij het analyseren van de resultaten met zijn expertise in keramiek met hoge entropie.

Samayoa zegt dat dit hele project een zware leercurve was sinds hij een natuurkundestudent was, maar het onderzoek paste goed binnen zijn doelen. En de kwaliteit van zijn werk toonde aan, beweerde Nieto, en zei dat het onderzoek dat Samayoa deed geschikt zou zijn voor een Ph.D. leerling.

Naast de complexiteit van onderzoek met UHTC is de uitdaging om de warmte te simuleren die wordt uitgestraald door moderne gasaangedreven turbines. De onderzoekers moesten een manier vinden om materialen bij die temperatuur te testen, waardoor het team de heetste oven moest aanschaffen die NPS ooit heeft gehad. Toen het eenmaal operationeel was, ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​project om de UHTC's gedurende verschillende tijdsperioden bij verschillende temperaturen te testen.

"We waren de eersten die zelfs bij deze hogere temperaturen experimenteerden voor elk materiaal voor deze toepassingen", zegt Nieto. "Het was volkomen onverwacht dat naarmate je hoger in temperatuur zou gaan, je eigenlijk een zekere mate van chemische inertie zou krijgen van deze ultrahoge temperatuur keramiek waar ze geen interactie hadden met het gesmolten zand. Het opent een mogelijke weg voorwaarts in hoe we ontwerpen deze motoren."

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Materialia , in december 2021. + Verder verkennen

Bouw je model niet op zand