Estudada na EEL, superliga de nióbio apresenta eficiência energética e econômica

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Valéria Dias / Agência USP de Notícias

O desenvolvimento de novas superligas à base de nióbio poderá levar a uma maior eficiência energética em usinas termelétricas e em sistemas de propulsão de aviões e foguetes. Uma grande contribuição para que isso ocorra vem de uma pesquisa do Departamento de Engenharia de Materiais (Demar) da Escola de Engenharia de Lorena (EEL) da USP. Os pesquisadores desenvolveram o diagrama de fases para os elementos nióbio (Nb), cromo (Cr) e boro (B). O diagrama de fases é uma espécie de mapa (ou gráfico) que fornece as informações sobre o que vai ocorrer com a estrutura microscópica da mistura desses três elementos em quaisquer proporções e em diferentes temperaturas.

“Podemos fazer uma analogia do diagrama de fases pensando nos elementos nióbio, cromo e boro como se eles fossem ingredientes de um bolo”, compara o professor Gilberto Carvalho Coelho, um dos pesquisadores envolvidos no projeto. “A proporção correta de ingredientes, assim como a temperatura do forno, é fundamental para que o produto final [o bolo] esteja adequado para consumo”, explica.

Para o desenvolvimento de uma nova superliga seria preciso ainda adicionar outros elementos. “Então, o diagrama de fases desenvolvido na EEL, adicionado a outros diagramas de fases, de outros elementos, forneceria os dados necessários para os engenheiros de materiais desenvolverem as novas superligas”, destaca o pesquisador.

Mas para isso ocorrer, conta o docente, é preciso que as superligas mantenham suas propriedades mecânicas, de resistência à corrosão e à oxidação, mesmo em altas temperaturas. Isso mostra a importância da pesquisa desenvolvida na Escola de Engenharia de Lorena.

Cerca de 90% das reservas mundiais de nióbio economicamente viáveis de exploração estão localizadas no Brasil, principalmente na cidade de Araxá, em Minas Gerais. A indústria mundial tem um enorme interesse no metal, pois seu ponto de fusão é altíssimo: 2.468 graus Celsius (°C).

Propriedades mecânicas

O professor Gilberto Carvalho Coelho conta que os três elementos — nióbio, cromo e boro — foram escolhidos para compor o diagrama de fases exatamente pelas propriedades que conferem ao material. “O nióbio foi utilizado pensando na sua altíssima temperatura de fusão que o torna tão atraente para a indústria. Já o cromo confere resistência à oxidação a uma peça metálica através da formação de uma camada protetora, como uma pele, em sua superfície. No caso de uma turbina, por exemplo, o processo de aquecer e esfriar pode fazer essa camada trincar. O boro ajuda na regeneração dessa camada protetora da superfície da peça ”, descreve o docente.

Devido ao altíssimo ponto de fusão, o nióbio é utilizado na produção de materiais estruturais sólidos, na construção de turbinas de termelétricas e em sistemas de propulsão da indústria aeronáutica e aeroespacial, e em mais uma série de outras utilizações. Outro exemplo é na fabricação de ligas supercondutoras para peças de tomógrafos por ressonância magnética nuclear, devido a sua propriedade de supercondutividade (resistência elétrica nula).

Atualmente, grande parte da indústria utiliza as superligas de níquel para estas aplicações, cuja temperatura de trabalho é, no máximo, de aproximadamente 1.150°C. “Porém, estas ligas já são aplicadas em ambientes cuja temperatura é próxima de seus pontos de fusão, em torno de 1.350°C, o que limita ganhos adicionais de eficiência das turbinas”, comenta o pesquisador, lembrando que o preço das superligas de nióbio ainda têm custo muito elevado.

Redução de emissões de gases

“Os setores de geração de energia e de transporte respondem por cerca de 30% a 40% das emissões de gases causadores do efeito estufa e apresentam as maiores taxas de crescimento dessas emissões, tornando-os foco de atenção para ações futuras. O uso de ligas com metais refratários, tais como nióbio e molibdênio, poderá contribuir de forma mais efetiva para aumentar a eficiência dos equipamentos”, afirma o pesquisador.

Segundo ele, quanto maior for a capacidade de uma turbina operar em temperatura elevada, maior será a sua eficiência energética. No caso de uma termelétrica, por exemplo, ela converte o gás natural em energia elétrica. Nessa conversão, se for usado menos combustível, serão gerados menos poluentes. Por isso, os aspectos ecológico e econômico da proposta de se desenvolver novas superligas a base de nióbio são tão interessantes.

“O caminho percorrido por essa pesquisa sugere que alterações nos materiais possam responder em até 50% do potencial de redução das emissões desses setores até o ano de 2020”, aponta.

Prêmio

A pesquisa Determinação experimental da projeção liquidus do sistema Nb-Cr-B na região rica em Nb-Cr até 50 %at. B foi apresentado no 66° Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração (ABM) de 2011 e foi o vencedor do “Prêmio Luiz Dumont Villares”, patrocinado pela Gerdau Aços Especiais Brasil.

A pesquisa é parte da tese de doutorado do pesquisador João Carlos Jânio Gigolotti, realizado como doutorado sanduiche na EEL e no Instituto Jean Lamour da Universidade de Lorraine, em Nancy, na França. O trabalho contou ainda com a participação do professor Carlos Angelo Nunes, da EEL, e dos professores Michel Vilasi, Jean Marc Fiorani e Nicolas David, da mesma instituição francesa.

O estágio de doutorado sanduíche de Gigolotti foi realizado no escopo do acordo de cooperação científica entre o grupo de pesquisa em Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do Demar/EEL e do grupo parceiro francês, apoiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e pelo Comité Français d´Evaluation de la Coopération Universitaire avec le Brésil (Cofecub), da França. Apesar de não constar seu nome como co-autor no trabalho apresentado na ABM , o professor Michel Vilasi é também colaborador nestas pesquisas e é o coordenador do laboratório francês.

Mais informações: (12) 3159-9912 ou email coelho@demar.eel.usp.br com o professor Gilberto Carvalho Coelho

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