O tungstênio é particularmente adequado como material para partes altamente tensionadas do recipiente que envolve um plasma de fusão quente, sendo o metal com o ponto de fusão mais alto. Uma desvantagem, porém, é a sua fragilidade, que sob estresse o torna frágil e sujeito a danos. Um novo material composto mais resiliente foi desenvolvido pelo Instituto Max Planck de Física de Plasmas (IPP) em Garching. Consiste em tungstênio homogêneo com fios de tungstênio revestidos embutidos. Um estudo de viabilidade acaba de mostrar a adequação básica do novo composto.

O objetivo da pesquisa realizada no IPP é desenvolver uma usina que, assim como o Sol, obtenha energia da fusão de núcleos atômicos. O combustível utilizado é um plasma de hidrogênio de baixa densidade. Para acender o fogo de fusão, o plasma deve ser confinado em campos magnéticos e aquecido a uma temperatura elevada. No núcleo são alcançados 100 milhões de graus. O tungstênio é um metal altamente promissor como material para componentes que entram em contato direto com o plasma quente. Isto foi demonstrado por extensas investigações no IPP. Um problema até agora não resolvido, no entanto, tem sido a fragilidade do material: o tungstênio perde sua resistência nas condições das usinas de energia. A tensão local – tensão, estiramento ou pressão – não pode ser evitada pela ligeira cedência do material. Em vez disso, formam-se fissuras: portanto, os componentes reagem de forma muito sensível à sobrecarga local.

É por isso que o IPP procurou estruturas capazes de distribuir a tensão local. A cerâmica reforçada com fibra serviu de modelo: por exemplo, o frágil carboneto de silício torna-se cinco vezes mais tenaz quando reforçado com fibras de carboneto de silício. Depois de alguns estudos preliminares, o cientista do IPP, Johann Riesch, deveria investigar se um tratamento semelhante pode funcionar com o metal de tungstênio.

O primeiro passo foi produzir o novo material. Uma matriz de tungstênio teve que ser reforçada com fibras longas revestidas consistindo de fio de tungstênio extrudado fino como cabelo. Os fios, originalmente concebidos como filamentos luminosos para lâmpadas, foram fornecidos pela Osram GmbH. Vários materiais para revestimento foram investigados no IPP, incluindo o óxido de érbio. As fibras de tungstênio completamente revestidas foram então agrupadas, paralelas ou trançadas. Para preencher as lacunas entre os fios com tungstênio, Johann Riesch e seus colegas desenvolveram um novo processo em conjunto com o parceiro industrial inglês Archer Technicoat Ltd. Foi encontrado um método suave de produção do composto: o tungstênio é depositado nos fios a partir de uma mistura gasosa por meio da aplicação de um processo químico em temperaturas moderadas. Esta foi a primeira vez que o tungstênio reforçado com fibra de tungstênio foi produzido com sucesso, com o resultado desejado: a tenacidade à fratura do novo composto já havia triplicado em relação ao tungstênio sem fibra após os primeiros testes.

O segundo passo foi investigar como isso funciona: o fator decisivo provou ser que as fibras preenchem as fissuras na matriz e podem distribuir a energia que atua localmente no material. Aqui, as interfaces entre as fibras e a matriz de tungstênio, por um lado, devem ser fracas o suficiente para ceder quando se formam rachaduras e, por outro, fortes o suficiente para transmitir a força entre as fibras e a matriz. Nos testes de flexão isso pôde ser observado diretamente por meio de microtomografia de raios X. Isso demonstrou o funcionamento básico do material.

Decisivo para a utilidade do material, entretanto, é que a tenacidade aprimorada seja mantida quando ele é aplicado. Johann Riesch verificou isso investigando amostras que haviam sido fragilizadas por tratamento térmico prévio. Quando as amostras foram submetidas à radiação síncrotron ou colocadas sob o microscópio eletrônico, esticá-las e dobrá-las também confirmaram, neste caso, as propriedades aprimoradas do material: se a matriz falhar quando tensionada, as fibras serão capazes de colmatar as fissuras ocorridas e estancá-las.

Os princípios para a compreensão e produção do novo material estão assim estabelecidos. As amostras devem agora ser produzidas em condições de processo melhoradas e com interfaces otimizadas, sendo este o pré-requisito para a produção em larga escala. O novo material também pode ter interesse além do campo da pesquisa em fusão.