Esperimenti

Assorbitori ceramici ultra-refrattari per generazione di energia dal solare termodinamico ad altissima temperatura (firb

Il solare termodinamico è una tecnologia per la produzione di energia sicura, sostenibile e a basso costo. Attualmente, la massima temperatura di esercizio di un
impianto solare è minore di 800 K, a causa del rapido degrado dei suoi componenti. D’altra parte, l’efficienza degli impianti termici aumenta rapidamente al crescere
delle temperature di esercizio e la sfida tecnologica dei sistemi attuali è quella di rendere stabile il ricevitore fino ad alta temperatura in modo da aumentare l’efficienza
del sistema.
Lo scopo del progetto SUPERSOLAR è la RICERCA DI BASE E LO SVILUPPO DI MATERIALI CERAMICI DA IMPIEGARE COME ASSORBITORI SOLARI
A TEMPERATURE FINO A 1200 K. Tali materiali devono resistere al degrado in aria a temperature molto elevate, pur mantenendo una buona conduttività termica e
opportune proprietà radiative.
I materiali noti come Ultra-High Temperature Ceramics (UHTCs), ossia boruri e carburi di zirconio, afnio e tantalio (ZrB2, ZrC, HfB2, HfC, TaB2, TaC) sono
considerati materiali emergenti per applicazioni in campo aerospaziale e per sistemi avanzati di produzione dell’energia (turbine, combustori, reattori per fusione
nucleare, componenti per propulsori). Il crescente interesse è dovuto alla combinazione unica di proprietà, quali punti di fusione elevatissimi che sfiorano i 4200K,
elevata resistenza meccanica, alte conduttività termica ed elettrica e notevole stabilità chimica. Studi recenti indicano che molti dei composti appartenenti a questa
classe hanno anche la capacità di assorbire in modo selettivo la radiazione solare, ma la conoscenza delle loro proprietà ottiche è ancora molto limitata, specialmente
ad alta temperatura.
I materiali UHTC hanno quindi una serie di caratteristiche che li rende particolarmente promettenti per applicazioni come ricevitori solari ad alta temperatura. Il
progetto SUPERSOLAR prevede lo sviluppo di materiali UHTC e lo studio delle loro proprietà fondamentali. La ricerca è focalizzata principalmente sullo studio
dell’assorbimento di luce ed emissione sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura e la loro correlazione con le caratteristiche del materiale (composizione,
porosità, finitura superficiale, etc.). Inoltre verranno studiate le proprietà termo-meccaniche di interesse per l’applicazione, quali resistenza meccanica a temperatura
ambiente e ad alta temperatura, conduttività termica, resistenza ad ossidazione e a shock termico.
Le Unità coinvolte nel progetto sono 2 istituti afferenti al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), ovvero l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici
(ISTEC), e l’Istituto Nazionale di Ottica (INO) e l’Università di Cagliari (UNICA).
ISTEC è l’unico istituto italiano ed europeo a possedere una vasta esperienza sui materiali UHTC che spazia dalla scienza di base, alla comprensione della stabilità dei
materiali ad altissima temperatura in ambiente aggressivo, fino alla fabbricazione di prototipi di forma e tessitura complessa.
Il gruppo facente capo ad UNICA possiede una notevole esperienza nel campo della sintesi e sinterizzazione di materiali innovativi sia monolitici che compositi,
inclusi gli UHTC, utilizzando delle tecnologie particolarmente efficienti. In particolare, il gruppo è ben conosciuto ed apprezzato in campo internazionale per la sintesi
a combustione o Self-propagating High temperature Synthesis (SHS) per la produzione di polveri o prodotti porosi, e per la sinterizzazione in corrente pulsata o Spark
Plasma Sintering (SPS), per l’ottenimento di materiali massivi ad elevata densità. A tal riguardo, l’apparecchiatura SPS attualmente disponibile presso UNICA, 515S,
Sumitomo Coal Mining Co. Ltd, Japan, rappresenta la prima macchina di questo tipo installata in Italia. UNICA ed ISTEC hanno recentemente avviato una
collaborazione proprio nell’ambito della fabbricazione e caratterizzazione di materiali UHTC.
INO è un istituto con vasta esperienza sia nel campo della caratterizzazione delle proprietà ottiche dei materiali, che nello sfruttamento dell’energia solare. All’inizio
del 2010, INO e ISTEC hanno iniziato una fruttuosa collaborazione sulla caratterizzazione ottica dei materiali ceramici.
Il Progetto SUPERSOLAR è diviso in 9 workpackages (WP) e due milestones e prevede l’organizzazione di un workshop finale.
Nella prima metà del progetto l’attività di ricerca sarà dedicata alla produzione e all’analisi preliminare (in termini di proprietà ottiche, termiche, meccaniche e
resistenza ad ossidazione) di vari boruri e carburi di zirconio, afnio, tantalio. Le Unità lavoreranno in modo coordinato per comprendere le correlazioni fondamentali
tra proprietà ottiche a temperatura ambiente e ad alta temperatura e i parametri microstrutturali, come la densità di “bulk”, la presenza di fasi secondarie o fenomeni di
ossidazione, a loro volta legate al processo di produzione. Al termine di questa prima parte, le unità di ricerca saranno in grado di effettuare una selezione dei materiali
e delle composizioni più adatte per l’applicazione come assorbitori solari.
Nella seconda metà del progetto, partendo dalle composizioni selezionate, l’attività di ricerca sarà dedicata alla produzione e caratterizzazione di materiali UHTC con
particolari tessiture superficiali o porosità in grado di aumentare la capacità di assorbimento della radiazione pur mantenendo le proprietà di emissività richieste.
L’attività prevede quindi una nuova campagna di prove per la determinazione delle proprietà ottiche a temperatura ambiente e ad alta temperatura.
Parallelamente, altro fondamentale obiettivo del progetto SUPERSOLAR è la realizzazione e messa in opera di un nuovo apparato strumentale per le misure di
emissività da temperatura ambiente fino a 1200 K presso la sede INO. Questo apparato sarà costituito da un forno in vuoto interfacciato ad uno spettrometro
infrarosso. È noto che l’emissività spettrale e totale ad alta temperatura sono proprietà chiave per determinare le potenzialità di materiali destinati a lavorare ad alta
temperatura. In particolare, il nuovo apparato sarà in grado di misurare l’emissività spettrale dei campioni e quindi di quantificare l’energia totale da essi perduta
attraverso processi di radiazione termica. Attualmente, al meglio delle nostre conoscenze, in Italia non esiste una apparecchiatura che permette questo tipo di misure,
mentre è possibile effettuarle in laboratori francesi (PROMES-CNRS, LEME, CETHIL e alcuni laboratori militari), americani (Advanced Fuel Research, CT,
un’industria privata) e tedeschi (ZAE, DLR).
In un momento di grande sviluppo di materiali per energie rinnovabili come quello in cui stiamo vivendo, sarebbe strategico per l’Italia avere un laboratorio per
effettuare misure di emissività spettrale ad alte temperature. Questo laboratorio sarebbe in grado di valutare le potenzialità come assorbitori solari non solo dei
materiali UHTC, ma anche di altri materiali più convenzionali, come grafite, alluminio, acciaio, silicio, così come polveri o ricoprimenti.
Il progetto SUPERSOLAR beneficerà anche di collaborazioni con istituzioni straniere per misure specifiche in fornaci solari che al momento non possono essere
eseguite in Italia. Questo permetterà un ulteriore approfondimento nella comprensione delle proprietà fondamentali dei materiali. In quest’ambito, saranno organizzati
dei soggiorni di studio dei ricercatori coinvolti nel progetto presso l’istituzione straniera. I risultati di queste misure saranno anche il riferimento per la messa a punto
della strumentazione nel nuovo laboratorio italiano presso INO.
Poiché il progetto è di grande interesse per la comunità scientifica, un impegno notevole sarà dedicato alla pubblicazione di articoli su riviste internazionali e
all’eventuale deposito di brevetti. Inoltre, alla fine dell’attività verrà organizzato un workshop per la disseminazione dei risultati, con partecipazioni sia da parte della
comunità scientifica internazionale, sia di Imprese italiane e straniere.