Το βολφράμιο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο ως υλικό για μέρη του δοχείου με υψηλή πίεση που περικλείουν ένα θερμό πλάσμα σύντηξης, καθώς είναι το μέταλλο με το υψηλότερο σημείο τήξης.Ένα μειονέκτημα όμως είναι η ευθραυστότητά του, η οποία υπό πίεση το κάνει εύθραυστο και επιρρεπές σε φθορές.Ένα νέο, πιο ανθεκτικό σύνθετο υλικό έχει πλέον αναπτυχθεί από το Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική του Πλάσματος (IPP) στο Garching.Αποτελείται από ομοιογενές βολφράμιο με ενσωματωμένα καλώδια βολφραμίου με επικάλυψη.Μια μελέτη σκοπιμότητας μόλις έδειξε τη βασική καταλληλότητα της νέας ένωσης.

Ο στόχος της έρευνας που διεξήχθη στο IPP είναι η ανάπτυξη ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής που, όπως ο ήλιος, αντλεί ενέργεια από τη σύντηξη ατομικών πυρήνων.Το καύσιμο που χρησιμοποιείται είναι ένα πλάσμα υδρογόνου χαμηλής πυκνότητας.Για την ανάφλεξη της πυρκαγιάς σύντηξης το πλάσμα πρέπει να περιοριστεί σε μαγνητικά πεδία και να θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία.Στον πυρήνα επιτυγχάνονται 100 εκατομμύρια μοίρες.Το βολφράμιο είναι ένα πολλά υποσχόμενο μέταλλο ως υλικό για εξαρτήματα που έρχονται σε άμεση επαφή με το καυτό πλάσμα.Αυτό έχει αποδειχθεί από εκτεταμένες έρευνες στην IPP.Ένα μέχρι τώρα άλυτο πρόβλημα, ωστόσο, ήταν η ευθραυστότητα του υλικού: Το βολφράμιο χάνει τη σκληρότητά του υπό συνθήκες εργοστασίου παραγωγής ενέργειας.Το τοπικό στρες – ένταση, τέντωμα ή πίεση – δεν μπορεί να αποφευχθεί από το υλικό που υποχωρεί ελαφρώς.Αντ' αυτού δημιουργούνται ρωγμές: Τα εξαρτήματα επομένως αντιδρούν πολύ ευαίσθητα στην τοπική υπερφόρτωση.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η IPP αναζήτησε δομές ικανές να διανείμουν την τοπική ένταση.Τα κεραμικά ενισχυμένα με ίνες χρησιμεύουν ως μοντέλα: Για παράδειγμα, το εύθραυστο καρβίδιο του πυριτίου γίνεται πέντε φορές πιο σκληρό όταν ενισχύεται με ίνες καρβιδίου του πυριτίου.Μετά από μερικές προκαταρκτικές μελέτες, ο επιστήμονας IPP Johann Riesch επρόκειτο να διερευνήσει εάν παρόμοια επεξεργασία μπορεί να λειτουργήσει με μέταλλο βολφραμίου.

Το πρώτο βήμα ήταν η παραγωγή του νέου υλικού.Μια μήτρα βολφραμίου έπρεπε να ενισχυθεί με επικαλυμμένες μακριές ίνες που αποτελούνταν από εξωθημένο σύρμα βολφραμίου λεπτό σαν τρίχες.Τα καλώδια, αρχικά προορίζονταν ως φωτεινά νήματα για λαμπτήρες, όπου προμηθεύονταν από την Osram GmbH.Διάφορα υλικά για την επίστρωσή τους διερευνήθηκαν στο IPP, συμπεριλαμβανομένου του οξειδίου του ερβίου.Οι πλήρως επικαλυμμένες ίνες βολφραμίου στη συνέχεια συσσωρεύτηκαν μεταξύ τους, είτε παράλληλες είτε πλεγμένες.Για να συμπληρώσετε τα κενά μεταξύ των συρμάτων με βολφράμιο, ο Johann Riesch και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία σε συνεργασία με τον Άγγλο βιομηχανικό συνεργάτη Archer Technicoat Ltd. Ενώ τα τεμάχια εργασίας βολφραμίου συνήθως συμπιέζονται μεταξύ τους από σκόνη μετάλλου σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, ευρέθη ήπια μέθοδος παραγωγής της ένωσης: Το βολφράμιο εναποτίθεται στα σύρματα από ένα αέριο μείγμα με την εφαρμογή μιας χημικής διαδικασίας σε μέτριες θερμοκρασίες.Αυτή ήταν η πρώτη φορά που βολφράμιο ενισχυμένο με ίνες βολφραμίου παρήχθη με επιτυχία, με το επιθυμητό αποτέλεσμα: Η αντοχή στη θραύση της νέας ένωσης είχε ήδη τριπλασιαστεί σε σχέση με το βολφράμιο χωρίς ίνες μετά τις πρώτες δοκιμές.

Το δεύτερο βήμα ήταν να διερευνηθεί πώς λειτουργεί αυτό: Ο καθοριστικός παράγοντας αποδείχθηκε ότι οι ίνες γεφυρώνουν τις ρωγμές στη μήτρα και μπορούν να διανείμουν την τοπικά ενεργή ενέργεια στο υλικό.Εδώ οι διεπαφές μεταξύ των ινών και της μήτρας βολφραμίου, αφενός, πρέπει να είναι αρκετά αδύναμες ώστε να υποχωρούν όταν σχηματίζονται ρωγμές και, από την άλλη, να είναι αρκετά ισχυρές ώστε να μεταδίδουν τη δύναμη μεταξύ των ινών και της μήτρας.Σε δοκιμές κάμψης αυτό μπορούσε να παρατηρηθεί απευθείας μέσω μικροτομογραφίας ακτίνων Χ.Αυτό απέδειξε τη βασική λειτουργία του υλικού.

Καθοριστικό για τη χρησιμότητα του υλικού, ωστόσο, είναι ότι διατηρείται η ενισχυμένη σκληρότητα όταν εφαρμόζεται.Ο Johann Riesch το έλεγξε διερευνώντας δείγματα που είχαν υποστεί ευθραυστότητα από προηγούμενη θερμική επεξεργασία.Όταν τα δείγματα υποβλήθηκαν σε ακτινοβολία σύγχροτρον ή τέθηκαν στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το τέντωμα και η κάμψη τους επιβεβαίωσαν επίσης σε αυτή την περίπτωση τις βελτιωμένες ιδιότητες του υλικού: Εάν η μήτρα αποτύχει όταν καταπονηθεί, οι ίνες μπορούν να γεφυρώσουν τις ρωγμές που εμφανίζονται και να τις ανακόψουν.

Έτσι διευθετούνται οι αρχές για την κατανόηση και την παραγωγή του νέου υλικού.Τα δείγματα πρόκειται να παράγονται τώρα υπό βελτιωμένες συνθήκες διεργασίας και με βελτιστοποιημένες διεπαφές, κάτι που αποτελεί την προϋπόθεση για παραγωγή μεγάλης κλίμακας.Το νέο υλικό μπορεί επίσης να έχει ενδιαφέρον πέρα ​​από το πεδίο της έρευνας σύντηξης.