Il tungsteno è particolarmente adatto come materiale per parti altamente sollecitate del recipiente che racchiude un plasma di fusione calda, essendo il metallo con il punto di fusione più alto.Uno svantaggio, tuttavia, è la sua fragilità, che sotto stress lo rende fragile e soggetto a danni.Un nuovo materiale composto più resiliente è stato ora sviluppato dal Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) a Garching.È costituito da tungsteno omogeneo con fili di tungsteno rivestiti incorporati.Uno studio di fattibilità ha appena dimostrato l'idoneità fondamentale del nuovo composto.

L'obiettivo della ricerca condotta all'IPP è quello di sviluppare una centrale elettrica che, come il sole, tragga energia dalla fusione dei nuclei atomici.Il combustibile utilizzato è un plasma di idrogeno a bassa densità.Per innescare il fuoco di fusione il plasma deve essere confinato in campi magnetici e riscaldato ad alta temperatura.Nel nucleo si raggiungono i 100 milioni di gradi.Il tungsteno è un metallo molto promettente come materiale per componenti che entrano in contatto diretto con il plasma caldo.Ciò è stato dimostrato da approfondite indagini presso l'IPP.Un problema finora irrisolto, tuttavia, è stata la fragilità del materiale: il tungsteno perde la sua tenacità in condizioni di centrale elettrica.Lo stress locale – tensione, stiramento o pressione – non può essere evitato con un leggero cedimento del materiale.Si formano invece delle crepe: i componenti reagiscono quindi in modo molto sensibile al sovraccarico locale.

Ecco perché l'IPP ha cercato strutture in grado di distribuire la tensione locale.Le ceramiche rinforzate con fibre sono servite da modello: ad esempio, il fragile carburo di silicio diventa cinque volte più resistente se rinforzato con fibre di carburo di silicio.Dopo alcuni studi preliminari, lo scienziato dell'IPP Johann Riesch ha voluto verificare se un trattamento simile può funzionare con il metallo tungsteno.

Il primo passo è stato produrre il nuovo materiale.Una matrice di tungsteno doveva essere rinforzata con fibre lunghe rivestite costituite da fili di tungsteno estruso sottili come capelli.I fili, originariamente intesi come filamenti luminosi per lampadine, venivano forniti da Osram GmbH.All'IPP sono stati studiati vari materiali per il rivestimento, compreso l'ossido di erbio.Le fibre di tungsteno completamente rivestite sono state quindi raggruppate insieme, parallele o intrecciate.Per riempire gli spazi tra i fili con il tungsteno Johann Riesch e i suoi collaboratori hanno sviluppato un nuovo processo in collaborazione con il partner industriale inglese Archer Technicoat Ltd. Mentre i pezzi di tungsteno vengono solitamente pressati insieme da polvere metallica ad alta temperatura e pressione, un metodo più è stato trovato un metodo delicato per produrre il composto: il tungsteno viene depositato sui fili da una miscela gassosa mediante l'applicazione di un processo chimico a temperature moderate.Questa è stata la prima volta che è stato prodotto con successo il tungsteno rinforzato con fibre di tungsteno, con il risultato desiderato: la resistenza alla frattura del nuovo composto era già triplicata rispetto al tungsteno senza fibre dopo i primi test.

Il secondo passo è stato quello di studiare come funziona: il fattore decisivo si è rivelato essere il fatto che le fibre colmano le crepe nella matrice e possono distribuire l'energia che agisce localmente nel materiale.Qui le interfacce tra le fibre e la matrice di tungsteno, da un lato, devono essere sufficientemente deboli da cedere quando si formano delle crepe e, dall'altro, essere sufficientemente forti da trasmettere la forza tra le fibre e la matrice.Nelle prove di flessione ciò poteva essere osservato direttamente mediante microtomografia a raggi X.Ciò ha dimostrato il funzionamento di base del materiale.

Decisivo per l'utilità del materiale, tuttavia, è che la maggiore tenacità venga mantenuta durante l'applicazione.Johann Riesch lo ha verificato esaminando campioni che erano stati infragiliti da un precedente trattamento termico.Anche in questo caso, l'esposizione e la flessione dei campioni alla radiazione di sincrotrone o al microscopio elettronico hanno confermato le proprietà migliorate del materiale: se la matrice cede quando sollecitata, le fibre sono in grado di colmare le crepe che si formano e di arginarle.

I principi per comprendere e produrre il nuovo materiale sono così stabiliti.Ora i campioni devono essere prodotti in condizioni di processo migliorate e con interfacce ottimizzate, essendo questo il prerequisito per la produzione su larga scala.Il nuovo materiale potrebbe essere interessante anche oltre il campo della ricerca sulla fusione.