El tungsteno es especialmente adecuado como material para partes del recipiente sometidas a altas cargas que contienen un plasma de fusión caliente, ya que es el metal con el punto de fusión más alto. Sin embargo, una desventaja es su fragilidad, que bajo tensión lo hace frágil y propenso a sufrir daños. El Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) de Garching ha desarrollado un nuevo material compuesto más resistente. Se compone de tungsteno homogéneo con alambres de tungsteno recubiertos incrustados. Un estudio de viabilidad acaba de demostrar la idoneidad básica del nuevo compuesto.

El objetivo de la investigación realizada en el IPP es desarrollar una central eléctrica que, como el sol, obtenga energía de la fusión de núcleos atómicos. El combustible utilizado es un plasma de hidrógeno de baja densidad. Para encender el fuego de fusión, el plasma debe estar confinado en campos magnéticos y calentado a una temperatura alta. En el núcleo se alcanzan los 100 millones de grados. El tungsteno es un metal muy prometedor como material para componentes que entran en contacto directo con el plasma caliente. Así lo han demostrado extensas investigaciones en el IPP. Sin embargo, un problema hasta ahora no resuelto es la fragilidad del material: el tungsteno pierde su dureza en las condiciones de las centrales eléctricas. Las tensiones locales (tensión, estiramiento o presión) no pueden evitarse cediendo ligeramente el material. En lugar de ello, se forman grietas: los componentes reaccionan de forma muy sensible a la sobrecarga local.

Por eso el IPP buscó estructuras capaces de distribuir la tensión local. Las cerámicas reforzadas con fibras sirvieron de modelo: por ejemplo, el frágil carburo de silicio se vuelve cinco veces más resistente cuando se refuerza con fibras de carburo de silicio. Después de algunos estudios preliminares, el científico del IPP, Johann Riesch, se dispuso a investigar si un tratamiento similar puede funcionar con el metal de tungsteno.

El primer paso fue producir el nuevo material. Una matriz de tungsteno tuvo que reforzarse con fibras largas recubiertas que consistían en alambre de tungsteno extruido, delgado como un cabello. Los cables, originalmente pensados ​​como filamentos luminosos para bombillas, fueron suministrados por Osram GmbH. En el IPP se investigaron diversos materiales para recubrirlos, incluido el óxido de erbio. A continuación, las fibras de tungsteno completamente recubiertas se agruparon, ya sea en paralelo o trenzadas. Para llenar los huecos entre los alambres con tungsteno, Johann Riesch y sus compañeros desarrollaron un nuevo proceso junto con el socio industrial inglés Archer Technicoat Ltd. Mientras que las piezas de trabajo de tungsteno generalmente se comprimen a partir de polvo metálico a alta temperatura y presión, un método más Se encontró un método suave para producir el compuesto: el tungsteno se deposita sobre los cables a partir de una mezcla gaseosa mediante la aplicación de un proceso químico a temperaturas moderadas. Esta fue la primera vez que se produjo con éxito tungsteno reforzado con fibra de tungsteno, con el resultado deseado: la resistencia a la fractura del nuevo compuesto ya se había triplicado en comparación con el tungsteno sin fibra después de las primeras pruebas.

El segundo paso fue investigar cómo funciona esto: lo decisivo resultó ser que las fibras unen las grietas de la matriz y pueden distribuir la energía que actúa localmente en el material. Aquí las interfaces entre las fibras y la matriz de tungsteno, por un lado, tienen que ser lo suficientemente débiles como para ceder cuando se forman grietas y, por otro lado, lo suficientemente fuertes para transmitir la fuerza entre las fibras y la matriz. En los ensayos de flexión esto se pudo observar directamente mediante microtomografía de rayos X. Esto demostró el funcionamiento básico del material.

Sin embargo, lo decisivo para la utilidad del material es que durante su aplicación se mantenga la mayor tenacidad. Johann Riesch lo comprobó investigando muestras que habían quedado quebradizas debido a un tratamiento térmico previo. Cuando las muestras se sometieron a radiación sincrotrón o se colocaron bajo el microscopio electrónico, al estirarlas y doblarlas también se confirmó en este caso las propiedades mejoradas del material: si la matriz falla cuando se somete a tensión, las fibras pueden salvar las grietas que se producen y detenerlas.

Quedan así establecidos los principios para comprender y producir el nuevo material. Ahora las muestras se producirán en condiciones de proceso mejoradas y con interfaces optimizadas, lo que constituye el requisito previo para la producción a gran escala. El nuevo material también podría ser de interés más allá del campo de la investigación de la fusión.