مواد و ساخت پیشرفته

تقریباً 83 درصد از توان نیروگاه‌های کشور از برق حرارتی تأمین می‌شود؛ و از این میزان بیش از 60 درصد از برق از توربین‌های گازی به دست می‌آید. توربین گاز، ماشینی دوار است که انرژی شیمیایی سوخت را با استفاده از عمل احتراق و عبور گازهای محصول احتراق از روی پره‌ها به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این انرژی می‌تواند برای به حرکت درآوردن ماشین‌های دیگری همچون ژنراتورهای تولید برق در نیروگاه‌ها، کمپرسورهای انتقال گاز، پروانه کشتی‌ها و ... به کار برده شود. امروزه نه‌تنها تولید برق، بلکه بخش قالب حمل‌ونقل هوایی و دریایی، نیز به این نوع توربین‌ها بستگی دارد.
مهم‌ترین اشکال وارد بر توربین‌های گازی، بازده پایین آن‌ها (معمولاً بین 30 تا 40 درصد) و درنتیجه اتلاف زیاد سوخت و آلایندگی است. تنها راه افزایش بازده توربین‌ها، افزایش دمای عملیاتی آن‌ها است اما افزایش دما به معنی آسیب بیشتر به قطعات توربین و کم شدن عمر آن است. دمای عملیاتی قطعات در توربین‌های زمینی، به بیش از 1300 درجه سانتی‌گراد می‌رسد.
از یک سو، طراحی‌های مختلف موتورهای توربینی به‌شدت وابسته به مواد مصرف‌شده در آن‌ها بوده‌اند. طراحان موتور بر اساس امکانات و مواد موجود و در دسترس، درباره طرح موتور تصمیم می‌گیرند. از سوی دیگر، شرایط کاری قطعات توربینی به دلیل دمای بالا، نیروی زیاد واردشده به قطعات، حضور انواع مواد شیمیایی خورنده، رطوبت و ذرات جامد و ... بسیار پیچیده و مخرب است.
مواد محدودی قابلیت استفاده در موتورهای توربینی را دارند. بخش بزرگی از مواد به کار گرفته شده برای ساخت توربین‌ها را مواد پیشرفته تشکیل می‌دهند. ازجمله این مواد می‌توان به انواع سوپر آلیاژهای پایه نیکل، سوپر آلیاژهای پایه کبالت، مواد بین فلزی از جنس تیتانیوم- آلومینیوم، کامپوزیت‌های پایه سرامیکی و پایه فلزی، فولادهای مستحکم و پرآلیاژ، پوشش‌های سرامیکی سد حرارتی، پوشش‌های محافظ خوردگی از جنس آلیاژهای پایه نیکل و کبالت پرکروم، پوشش‌های ضد سایش، مواد عایق و بسیاری موارد دیگر اشاره نمود.
انواع سوپر آلیاژها و پوشش‌های فلزی و سرامیکی، امکان کار توربین در دماهای بسیار زیاد را ایجاد می‌کنند. پوشش‌های فلزی همچنین از خورده شدن قطعات ممانعت به عمل می‌آورند. فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن امکان سبک‌سازی قطعات بزرگ و افزایش بهره‌وری موتور را به طراح می‌دهند و استفاده از پوشش‌های ضد سایش در اتصالات مکانیکی باعث افزایش عمر کاری قطعات و به تعویق افتادن تخریب قطعات می‌شوند.
روش‌های به کار برده شده برای تولید این قطعات نیز در بیشتر موارد، روش‌های ساده و رایجی نیستند. از فرایندهای آلیاژسازی تا پرداخت نهایی، تولید قطعات موتورهای توربینی مستلزم به‌کارگیری روش‌های بسیار پیچیده تولید است. از ابزارهای ماشین‌کاری بسیار دقیق تا روش‌های نامتعارف براده برداری با جرقه الکتریکی و براده برداری با استفاده همزمان از جرقه و خورندگی اسید، ماشین‌آلات ریخته‌گری در خلأ بسیار بالا، ماشین‌های پوشش دهی با روش‌های بسیار پیچیده، جوشکاری با لیزر، اشعه الکترونی و بسیاری روش‌های پیشرفته دیگر را می‌توان نام برد.
به جز صنایع سازنده توربین گازی، سایر بخش‌های صنعت برق نیز به مواد پیشرفته مختلف نیاز دارند. توربین‌های بادی و سلول‌های فتو‌ولتاییک از مهم‌ترین منابع تأمین انرژی تجدید‌پذیراند. سلول‌های فتوولتاییک وابسته به تولید سیلیسیوم با خلوص بسیار بالا است. این سلول‌ها همچنین با لایه‌هایی بسیار نازک از عناصری همچون ایندیوم، گالیوم و تلوریوم پوشش داده می‌شود. کامپوزیت‌های سبک و پیشرفته مورد استفاده در پره‌ها و سازه‌های توربین‌های بادی از کاربردهای دیگر مواد پیشرفته در صنعت برق است. علاوه بر این، با توجه به منقطع بودن جریان برق تولیدی با استفاده از توربین‌های بادی و سلول‌های خورشیدی، برای استفاده گسترده از این منابع، فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی نیز اهمیت حیاتی دارند. روش‌های ذخیره‌سازی، هر یک بنا به ماهیت خود به گونه‌ای از مواد و یا فناوری‌های ساخت پیشرفته و یا هردو وابسته‌اند. استفاده از ترکیبات خاص لیتییوم در باتری‌های جدید، مواد کربنی و پلیمری در ابرخازن‌ها و مواد ویژه برای ذخیره‌سازی هیدروژن، از کاربردهای مواد پیشرفته در بخش ذخیره‌سازی انرژی است.
در سال‌های اخیر تمرکز زیادی بر صرفه‌جویی در مصرف انرژی شده است. یکی از مهم‌ترین تغییرات، حرکت از لامپ‌های التهابی پر مصرف به سوی لامپ‌های کم مصرف بوده است. تولید نسل‌های مختلف این لامپ‌ها، به خصوص لامپ‌های LED، به مصرف مواد مهندسی شده خاصی با استفاده از لانتانیوم، سریم، تربیوم، یوروپیوم و ایتریوم وابسته است. استفاده از مواد مغناطیسی دائم جدید با استفاده از عناصر کمیاب خاکی در ژنراتورها، استفاده از مواد پیشرفته در تجهیزات و تأسیسات توزیع و ... تنها برخی از موارد قابل اشاره از تأثیر کاربرد مواد و مواد پیشرفته در صنایع تولید، ذخیره‌سازی، توزیع و انتقال برق است. تسلط بر روش‌های تولید این مواد و تکمیل چرخه تأمین آنها نه‌تنها قابلیت تأمین نیازهای داخلی بلکه امکان فروش خدمات و قطعات، تعمیر و نگهداری و طراحی را ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، دستیابی به دانش فنی هر دسته از این مواد، می‌تواند زمینه‌ساز راه‌اندازی و رونق صنایع پایین‌دستی شوند.