Dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz kierownikiem projektu w ramach programu Narodowego Centrum Nauki OPUS 29
Projekt pt.: „Potencjał stopów wysokiej entropii w technologiach wodorowych: optymalizacja trwałości i właściwości stopów HEA” będzie realizowany w Katedrze Nauki o Materiałach, Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego i nowo powstałym Laboratorium Wodorowym przez 4 lata (2026-2029). Budżet projektu wynosi 997960 zł.
Zespół badawczy
Kierownikiem projektu jest dr hab. inż. Wojciech Nowak, prof. PRz z Katedry Nauki o Materiałach. W skład zespołu badawczego wchodzą: dr hab. inż. Grażyna Mrówka-Nowotnik, prof. PRz, dr hab. inż. Przemysław Kwolek, prof. PRz oraz stypendysta – doktorant (na etapie postepowania konkursowego). Projekt stanowi konsekwentną kontynuację zagadnień badawczych zaproponowanych i realizowanych przez dr hab. inż. Wojciecha Nowaka m.in. w poprzednim projekcie OPUS 20 pt. „Stopy o wysokiej entropii w parze wodnej - optymalizacja odporności na korozję wysokotemperaturową do nowoczesnych zastosowań” zakończonym w sierpniu 2025 r.
Tematyka badań
Emisja gazów cieplarnianych to jeden z największych problemów, którymi należy się dziś zająć. Silniki turboodrzutowe i stacjonarne turbiny gazowe są jednym ze źródeł emisji gazów cieplarnianych. Uważa się, że sektory energetyki i transportu lotniczego odpowiadają za dwie trzecie globalnej emisji gazów cieplarnianych (głównie CO2). W związku z tym istnieje silna potrzeba redukcji emisji gazów cieplarnianych w tych sektorach. Jednym z potencjalnych rozwiązań jest zastosowanie alternatywnego i przyjaznego dla środowiska paliwa. Wodór, a zwłaszcza „zielony wodór”, jest uważany za potencjalnego kandydata na takie alternatywne paliwo. Produktem reakcji spalania wodoru jest para wodna. Jednak spalanie mieszaniny wodoru i powietrza (tlenu) jest trudne do kontrolowania. Z punktu widzenia redukcji emisji CO2, wodór działa dwojako: znacząco podnosi temperaturę pracy i wytwarza H2O zamiast CO2 pochodzącego ze spalania tradycyjnego paliwa. Zastosowanie „zielonego paliwa” wzbogaconego wodorem powoduje jednocześnie dwa efekty: znaczny wzrost temperatury pracy oraz wzrost zawartości pary wodnej w spalinach. Należy pamiętać, że obecnie stosowane stopy metali pracują w temperaturze bliskiej ich limitu pracy. Dlatego konieczne jest opracowanie nowego rodzaju materiału, który będzie charakteryzował się niezawodną odpornością na utlenianie w warunkach spalania paliwa wzbogaconego wodorem, tj. w znacznie wyższej temperaturze i w atmosferze zawierającej znaczną ilość pary wodnej.
Celem projektu jest zatem opracowanie nowego materiału, który będzie charakteryzował się lepszymi parametrami niż najnowocześniejsze materiały stosowane obecnie w elementach w najgorętszej części turbin gazowych wzbogaconych w wodór. Zaplanowane prace badawcze obejmują opracowanie i wykonanie nowatorskich stopów wysokiej entropii, wykonanie preselekcyjnych badań w warunkach laboratoryjnych oraz pełną ich charakterystykę. Aby zweryfikować cele projektu, tj. modele numeryczne, porównanie wyników uzyskanych w warunkach symulacji i weryfikację odporności na utlenianie opracowanych HEA w warunkach rzeczywistych, wyselekcjonowane stopy wysokiej entropii wykazujące najlepsze właściwości zostaną przebadane w atmosferze rzeczywistych spalin paliw wzbogaconych w wodór (do 50 % wodoru) na stanowisku wodorowym. We wszystkich trzech etapach, obecnie stosowane nadstopy niklu zostaną również przetestowane porównawczo. Kolejnym krokiem będzie modelowanie zmian mikrostrukturalnych podczas ekspozycji na wysokie temperatury w testach laboratoryjnych oraz na stanowisku wodorowym. W ostatnim etapie zostaną opracowane mechanizmy procesu utleniania w zależności od atmosfery utleniającej. Równocześnie zostaną wyznaczone współczynniki dyfuzji wodoru w badanych materiałach. Uzyskane wyniki znacząco poszerzą wiedzę na temat materiałów pracujących w turbinach gazowych zasilanych wodorem i z pewnością doprowadzą do opracowania nowych, niezawodnych turbin wysokowodorowych (HEA) zdolnych do pracy w turbinach gazowych i/lub silnikach odrzutowych zasilanych wodorem, przez podstawowe zrozumienie mechanizmów utleniania stopów w „rzeczywistych” warunkach spalania paliw wysokowodorowych.
Wyniki uzyskane w trakcie realizacji projektu znacząco poszerzą wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej. Opracowane zostaną unikatowe w skali światowej stopy wysokiej entropii. Uzyskane zostaną również nowe i unikatowe informacje dotyczące żaroodporności zarówno nowatorskich stopów HEA, jak i dotychczas stosowanych materiałów w warunkach rzeczywistych podczas spalania paliw wodorowych. Rezultaty projektu z całą pewnością przyczynią się do postępu w zakresie materiałów stosowanych w technologii wodorowej, co z kolei pozwoli na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i pozwoli na większe uniezależnienie od paliw kopalnych zarówno w sektorze energetyki, jak i w niedalekiej przyszłości transportu.
