Het is moeilijk te geloven, maar het is waar. Ondanks zijn 10.100 ton die stevig verankerd is aan de grond, lijkt de Eiffeltoren onveranderlijk. Maar in de kou van de winter krimpt het ijzer waaruit hij is opgebouwd. En in de hitte van de zomer groeit hij omdat hetzelfde ijzer uitzet, waardoor hij 10 tot 15 cm per keer groeit of krimpt. Het uitzetten van metaal is geen probleem voor de Eiffeltoren, maar wel voor de luchtvaart, waar temperatuurschommelingen in honderden graden worden gemeten.
Onlangs heeft een samenwerking tussen theoretische onderzoekers van de TU Wien (Wenen) en experimentalisten van de Peking University of Science and Technology geleid tot een doorbraak: een metaal dat vrijwel ongevoelig is voor temperatuurveranderingen. En dit zou een revolutie kunnen betekenen bij de ontwikkeling van vliegtuigen of halfgeleiders voor onze auto’s.
Een metaallegering ongevoelig voor temperatuurveranderingen
Wanneer de temperatuur van een metaal, een vast lichaam, wordt verhoogd, neemt het volume toe. Men zegt dat het lichaam uitzet en dit wordt het fenomeen van thermische uitzetting van het metaal genoemd. Elk metaal wordt gekenmerkt door een thermische uitzettingscoëfficiënt, die aangeeft hoeveel het metaal uitzet wanneer de temperatuur stijgt en hoeveel het krimpt wanneer het afkoelt. Het is een eigenschap die eigen is aan elk metaal.
Deze door warmte veroorzaakte uitzetting van metalen kan ernstige problemen opleveren bij de productie van instrumenten waarbij maximale precisie belangrijk is, zoals bij de productie van laboratoriumapparatuur, halfgeleiders of in de lucht- en ruimtevaartindustrie.
De Zwitserse natuurkundige Charles Édouard Guillaume (1861-1938) begon zijn onderzoek in 1896 om een metaal te vinden dat minder gevoelig was voor temperatuurschommelingen. Hij werkte met verschillende combinaties van metalen en ontdekte bij toeval een legering van ijzer, nikkel en chroom die werd gekenmerkt door een zeer lage thermische uitzetting.
Hij gaf het de Franse naam Élinvar, of invar zoals het in het Engels heet, vanwege de onveranderlijke elasticiteit van dit nieuwe materiaal. Deze legering, die vandaag de dag nog steeds wordt gebruikt, bestaat uit 52% ijzer, 36% nikkel en 12% chroom.
Dankzij complexe computersimulaties was het mogelijk om het invar effect in detail te begrijpen en zo de zogenaamde pyrochloormagneet te ontwikkelen, een legering met nog betere thermische uitzettingseigenschappen dan invar. Over een zeer breed temperatuurbereik van meer dan 400 graden Kelvin (126 °C) varieert de lengte slechts met ongeveer een tienduizendste procent per graad Kelvin.
In tegenstelling tot eerdere invar-legeringen, die in wezen uit slechts twee verschillende metalen bestaan, heeft de pyrochloormagneet vier componenten: zirkonium, niobium, ijzer en kobalt. “Het is een materiaal met een extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt over een ongekend temperatuurbereik,” legt Yili Cao, een van de leiders van dit onderzoek, uit.
Een van de redenen dat het zo goed als ongevoelig is voor temperatuurveranderingen is zijn roosterstructuur. Deze is niet homogeen zoals in andere legeringen, maar heterogeen. Sommige gebieden bevatten bijvoorbeeld wat meer kobalt en andere wat minder.
Deze invarlegering zal ongetwijfeld toepassingen vinden in de ruimtevaart en luchtvaarttechniek, waar een grote behoefte is aan materialen die extreme temperatuurschommelingen kunnen weerstaan. Voor toekomstige maanverkenning bijvoorbeeld zou dit materiaal stevig en intact kunnen blijven in de extreme temperatuuromstandigheden van de aardse satelliet, waar de oppervlaktetemperatuur snel kan variëren van 122°C tot -232°C.
Ze zouden ook een toepassing kunnen hebben in geplande supersonische vliegtuigen, zoals Boom Supersonic‘s en zijn Overture. In dergelijke vliegtuigen zetten de voorranden van de vleugels, de neus en zelfs de romp uit door hitte. De Concorde groeide bijvoorbeeld ongeveer 25 centimeter wanneer hij op kruissnelheid, Mach 2, vloog. De neus of de voorrand van de vleugels werd dan warmer dan 100 °C.
Dat metalen groeien is bekend en daar wordt bij de ontwikkeling rekening mee gehouden, maar ook elke keer dat ze uitzetten en krimpen kunnen ze hun eigenschappen verliezen, vooral in het geval van aluminium, dat vaak in de vliegtuigbouw wordt gebruikt. Op de lange termijn leidt dit tot hogere onderhoudskosten omdat deze elementen na verloop van tijd en slijtage vervangen moeten worden.
