Cercetătorii străini de la MIT au găsit modalitatea de a fierbe apa mai rapid
În centrul unei mulțimi de procese industriale, sisteme de producție chimică și chiar sisteme de răcire pentru diverse electronice, se află o etapă consumatoare de energie care implică fierberea apei sau a unui alt lichid. Aceste procese își pot reduce în mod semnificativ consumul de energie prin îmbunătățirea eficienței sistemelor care încălzesc și evaporă apa. Cercetătorii celebrului institut MIT (Massachusetts Institute of Technology) au găsit acum o modalitate de a face exact asta, cu un tratament de suprafață special conceput pentru materialele utilizate în aceste sisteme.
Trei tipuri diferite de modificări ale suprafeței, la scări de dimensiuni diferite, reprezintă împreună eficiența crescută. Noile descoperiri sunt descrise într-o lucrare publicată în revista Advanced Materials de recent absolventul MIT Youngsup Song, PhD ’21, profesorul de inginerie al Ford, Evelyn Wang și alți patru de la MIT. Oamenii de știință avertizează că această descoperire este încă la scară de laborator și sunt necesare mai multe eforturi pentru a dezvolta un proces practic, la scară industrială.
Totul a fost realizat printr-un tratament de suprafață special conceput. Coeficientul de transfer de căldură (HTC) și fluxul critic de căldură (CHF) sunt doi parametri cheie care descriu procesul de fierbere. În general, există un compromis între cele două în designul materialului, așa că orice îmbunătățește unul dintre acești parametri tinde să-l degradeze pe celălalt.
Ambii parametri sunt cruciali pentru eficiența sistemului și acum, după ani de muncă, prin combinarea diferitelor texturi adăugate la suprafața unui material, echipa de oameni de știință a reușit să îmbunătățească semnificativ ambii parametri în același timp.
Îmbunătățirea acestora concomitent este destul de complicată, pentru că dacă avem multe bule pe suprafața de fierbere înseamnă că acest proces este eficient, iar dacă avem prea multe bule la suprafață acestea se pot topi, formând un vapor. Acești vapori introduc rezistența la transferul de căldură de la suprafața fierbinte în apă. Dacă avem abur între suprafață și apă, acest lucru împiedică eficiența transferului de căldură.
Mai exact, ce au făcut cercetătorii? Ei și-au dat seama că adăugarea unei serii de cavități sau adâncituri la scară mică pe o suprafață este o modalitate de a controla modul în care se formează bule pe suprafața lichidului, menținându-le în mod eficient fixate în locațiile cavităților și împiedicându-le să se răspândească într-o peliculă rezistentă la căldură.
În această lucrare, cercetătorii au creat o serie de adâncituri late de 10 micrometri și separate de aproximativ 2 milimetri, pentru a preveni formarea peliculei. Dar această separare reduce și concentrația de bule la suprafață, ceea ce reduce eficiența de fierbere. Pentru a rezolva această problemă, echipa a introdus un alt tratament de suprafață, la scară și mai mică, creând denivelări la scară nanometrică, mărind astfel suprafața și crescând rata de evaporare sub formă de bule.
În acest fel, cei șase oameni de știință au reușit să îmbunătățească procesul de fierbere, oferind mai multă suprafață expusă la apă. Deși munca lor a confirmat că amestecul acestor tipuri de tratamente de suprafață poate funcționa și obține efectele dorite, această muncă a fost realizată în condiții de laborator la scară mică, care nu au putut fi ușor de scalat la dispozitive practice.
„Aceste tipuri de structuri pe care le facem nu sunt menite să fie scalate în forma lor actuală, ci mai degrabă au fost folosite pentru a demonstra că un astfel de sistem poate funcționa. Un pas următor va fi găsirea unor modalități alternative de a crea aceste tipuri de texturi de suprafață, astfel încât aceste metode să poată fi extinse mai ușor la dimensiuni practice”, spune profesorul Evelyn Wang.
„Pot exista unele aplicații semnificative la scară mică ce ar putea utiliza acest proces în forma sa actuală, cum ar fi managementul termic al dispozitivelor electronice, un domeniu care devine din ce în ce mai important pe măsură ce dispozitivele semiconductoare devin mai mici și gestionarea producției de căldură devine din ce în ce mai importantă. Există cu siguranță un spațiu acolo, unde acest lucru este cu adevărat important.
„Chiar și pentru aceste tipuri de aplicații va dura ceva timp pentru a se dezvolta, deoarece sistemele de management termic pentru electronice folosesc, de obicei, alte lichide decât apa, cunoscute sub numele de lichide dielectrice. Aceste lichide au o tensiune superficială diferită și alte proprietăți decât apa, astfel încât dimensiunile caracteristicilor suprafeței ar trebui ajustate în consecință. Lucrul la aceste diferențe este unul dintre următorii pași pentru cercetarea în curs”, continuă Wang.
„Aceeași tehnică de structurare pe mai multe scari ar putea fi aplicată și la diferite alte lichide, prin ajustarea dimensiunilor pentru a ține cont de diferitele proprietăți ale acestora. Aceste tipuri de detalii pot fi schimbate și acesta poate fi următorul nostru pas”, conchide Song.