Uit zirkoon, wolfraam en koolstof kun je warmtewisselaars vormen die hoge drukken, snelle temperatuurwisselingen en maxima van minstens 750 °C verdragen. Het brengt efficiënte zonnecentrales een stap dichterbij, schrijven Ken Sandhage en collega’s van Purdue University in Nature.

Met zonnecentrales bedoelen ze daarmee het type dat spiegels gebruikt om zonne-energie te concentreren in een warmte-absorberende stof, waarmee je via-via een turbine aandrijft. De meest voor de hand liggende energiedrager is uiteraard stoom, maar een paar jaar geleden dook het idee op om er superkritisch CO₂ voor te gebruiken.

Op papier kun je zo een centrale realiseren met een veel hoger rendement. Maar qua werktemperatuur is 750 °C wel het minimum en CO₂ wordt sowieso pas superkritisch boven 73 bar. Bestaande keramische materialen overleven die combinatie niet. Pure metalen vaak wel maar het kost te veel moeite om daar een complexe warmtewisselaar (de afbeelding toont een voorbeeld) van te maken.

Sandhage komt nu met een proces waarbij je eerst de grondvorm van zo’n warmtewisselaar vormt uit wolfraamcarbidepoeder. Bij 1.400 °C sinter je de korrels aan elkaar, waarna je het poreuze resultaat nog een beetje kunt bijvijlen.

Vervolgens dompel je dit vormdeel bij 1.150 °C onder in een vloeibaar mengsel van zirkoon en koper, onder een chemisch reducerende atmosfeer van 4 % waterstof in argon, waarna je het bij 1.350 °C afbakt. Het zirkoon verdringt dan het wolfraam uit de structuur zodat je een mengsel van zirkooncarbide en wolfraam overhoudt. Dat laatste vult de poriën, als puur metaal.

Het voordeel van deze keramiek-metaalcombinatie (‘cermet’) is dat ze zelfs haar mechanische sterkte behoudt als je tien keer van 800 °C naar kamertemperatuur en terug gaat. De voor warmtewisselaars gebruikelijke ijzer- en nikkellegeringen worden onder zo’n regime behoorlijk slapjes. Ook de warmtegeleiding is bij die 800 °C bijna drie keer beter.

Nadeel is wel dat dit nieuwe materiaal bij dergelijke temperaturen absoluut niet tegen zuurstof kan. Zelfs superkritisch CO₂, dat maar een zwakke oxidator is, zou het kunnen aantasten.

Sandhage claimt dat je het kunt beschermen met een dunne koperen coating, mits je tevens 50 ppm CO toevoegt aan je CO₂ om oxidatie van dat koper (een evenwichtsreactie waarbij óók CO ontstaat) te voorkomen. Maar hoe lang dat in de praktijk daadwerkelijk goed blijft gaan, moet worden afgewacht.

bron: Nature