Het uitvoeren van onderhoudstaken in een kerncentrale legt zware druk op apparatuur, vanwege extreme temperaturen die moeilijk te verdragen zijn voor componenten zonder degradatie. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en elders hebben een radicaal nieuwe manier bedacht om actuatoren te maken die in zulke extreem hete omgevingen kunnen worden gebruikt.

Het systeem is gebaseerd op oxidematerialen die vergelijkbaar zijn met de materialen die in veel van de hedendaagse oplaadbare batterijen worden gebruikt. doordat ionen in en uit het materiaal bewegen tijdens laad- en ontlaadcycli. Of de ionen lithiumionen zijn, in het geval van lithium-ionbatterijen, of zuurstofionen, in het geval van de oxidematerialen, hun omkeerbare beweging zorgt ervoor dat het materiaal uitzet en samentrekt.

Dergelijke uitzetting en krimp kan een groot probleem zijn dat de bruikbare levensduur van een batterij of brandstofcel beïnvloedt, omdat de herhaalde volumeveranderingen scheuren kunnen veroorzaken, mogelijk leidend tot kortsluiting of verminderde prestaties. Maar voor actuatoren voor hoge temperaturen, deze volumeveranderingen zijn eerder een gewenst resultaat dan een ongewenste bijwerking.

De bevindingen worden beschreven in een rapport dat deze week in het tijdschrift verschijnt Natuurmaterialen , door Jessica Swallow, een MIT-afgestudeerde student; Kristyn van Vliet, de Michael (1949) en Sonja Koerner hoogleraar Materials Science and Engineering; Harry Tuller, hoogleraar materiaalkunde en techniek; en vijf anderen.

"Het meest interessante aan deze materialen is dat ze functioneren bij temperaturen boven de 500 graden Celsius, " Swallow legt uit. Dat suggereert dat hun voorspelbare buigbewegingen kunnen worden benut, bijvoorbeeld, voor onderhoudsrobots in een kernreactor, of actuatoren in straalmotoren of ruimtevaartuigmotoren.

Door deze oxidematerialen te koppelen aan andere materialen waarvan de afmetingen constant blijven, het is mogelijk om actuatoren te maken die buigen wanneer het oxide uitzet of samentrekt. Deze actie is vergelijkbaar met de manier waarop bimetaalstrips werken in thermostaten, waarbij verwarming ervoor zorgt dat het ene metaal meer uitzet dan het andere dat eraan is gebonden, waardoor de gebonden strook buigt. Voor deze testen is de onderzoekers gebruikten een verbinding genaamd PCO, voor met praseodymium gedoteerd ceriumoxide.

Conventionele materialen die worden gebruikt om beweging te creëren door elektriciteit toe te passen, zoals piëzo-elektrische apparaten, werken lang niet zo goed bij zulke hoge temperaturen, dus het nieuwe systeem zou een nieuw gebied van sensoren en actuatoren voor hoge temperaturen kunnen openen. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om kleppen te openen en te sluiten in deze hete omgevingen, zeggen de onderzoekers.

Van Vliet zegt dat de bevinding mogelijk is gemaakt door een hoge resolutie, op sondes gebaseerd mechanisch meetsysteem voor omstandigheden met hoge temperaturen dat zij en haar collega's in de loop der jaren hebben ontwikkeld. Het systeem biedt "precisiemetingen van materiële beweging die hier rechtstreeks verband houden met zuurstofniveaus, " ze zegt, waardoor onderzoekers precies kunnen meten hoe de zuurstof in en uit het metaaloxide circuleert.

Om deze metingen te doen, wetenschappers beginnen met het afzetten van een dunne laag metaaloxide op een substraat, gebruik dan het detectiesysteem, die kleine verplaatsingen kan meten op een schaal van nanometers, of miljardsten van een meter. "Deze materialen zijn bijzonder, " ze zegt, "omdat ze zuurstof in- en uitademen, en het volume wijzigen, en daardoor buigt het substraat."

Terwijl ze het proces demonstreerden met behulp van een bepaalde oxideverbinding, de onderzoekers zeggen dat de bevindingen in grote lijnen van toepassing kunnen zijn op een verscheidenheid aan oxidematerialen, en zelfs aan andere soorten ionen naast zuurstof, in en uit de oxidelaag bewegen.

Deze bevindingen "zijn zeer significant, omdat ze de chemische uitzetting van dunne films bij hoge temperaturen aantonen en verklaren, " zegt Holger Fritze, een professor aan de

Clausthal University of Technology in Duitsland, die niet bij dit werk betrokken was. "Dergelijke systemen vertonen een grote spanning in vergelijking met andere materialen die stabiel zijn bij hoge temperaturen, waardoor nieuwe toepassingen mogelijk worden, waaronder actuatoren voor hoge temperaturen, " hij zegt.

"De benadering die hier wordt gebruikt, is heel nieuw, " zegt Brian Sheldon, een professor in de techniek aan de Brown University, die ook niet bij dit onderzoek betrokken was. "Zoals de auteurs hebben opgemerkt, deze benadering kan informatie opleveren die verschilt van die verkregen met andere methoden die worden gebruikt om chemische expansie te onderzoeken."

Dit werk heeft twee belangrijke kenmerken, Sheldon zegt:Het geeft belangrijke basisinformatie over de chemische uitzetting van dergelijke materialen, en het opent de mogelijkheid van nieuwe soorten actuatoren voor hoge temperaturen. "Ik denk dat beide zeer belangrijke prestaties zijn, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.