Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανίες θα μπορούσαν να εξοικονομήσουν ενέργεια μέσω αυτών των νέων επεξεργασιών επιφάνειας, κάτι που θα μείωνε σημαντικά τις εκπομπές θερμοκηπικών αερίων παγκοσμίως.
Ο βρασμός νερού ή άλλων υγρών είναι ένα ενεργοβόρο στάδιο σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, πολλών συστημάτων παραγωγής χημικών, ακόμη και συστημάτων ψύξης για ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Η βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων που θερμαίνουν και εξατμίζουν το νερό θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τη χρήση ενέργειας. Ερευνητές στο MIT βρήκαν έναν τρόπο να κάνουν ακριβώς αυτό, με μια ειδικά προσαρμοσμένη επεξεργασία επιφάνειας για τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα.
Τα νέα ευρήματα περιγράφονται στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Materials σε μια εργασία από τον πρόσφατο πτυχιούχο του ΜΙΤ Youngsup Song, την Καθηγήτρια Μηχανικής της Ford Evelyn Wang και τέσσερις άλλους ερευνητές στο MIT. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αυτό το αρχικό εύρημα είναι ακόμα σε εργαστηριακή κλίμακα και χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να αναπτυχθεί μια πρακτική -βιομηχανικής κλίμακας- διαδικασία.
Πώς το κατάφεραν;
Υπάρχουν δύο βασικές παράμετροι που περιγράφουν τη διαδικασία βρασμού: ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (HTC) και η κρίσιμη ροή θερμότητας (CHF). Στον σχεδιασμό των υλικών, υπάρχει γενικά μια αντιστάθμιση μεταξύ των δύο, οπότε οτιδήποτε βελτιώνει μία από αυτές τις παραμέτρους τείνει να κάνει την άλλη χειρότερη. Αλλά και τα δύο είναι σημαντικά για την αποτελεσματικότητα του συστήματος και τώρα, μετά από χρόνια δουλειάς, η ομάδα πέτυχε έναν τρόπο να βελτιώσει σημαντικά και τις δύο ιδιότητες ταυτόχρονα, μέσω του συνδυασμού διαφορετικών υφών που προστίθενται στην επιφάνεια ενός υλικού.
«Και οι δύο παράμετροι είναι σημαντικές», λέει ο Song, «αλλά η βελτίωση και των δύο παραμέτρων μαζί είναι κάπως δύσκολη επειδή έχουν εγγενή ανταλλαγή». Ο λόγος για αυτό, εξηγεί, είναι «επειδή αν έχουμε πολλές φυσαλίδες στην επιφάνεια που βράζει το νερό, αυτό σημαίνει ότι το βράσιμο είναι πολύ αποτελεσματικό, αλλά αν έχουμε πάρα πολλές φυσαλίδες στην επιφάνεια, μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους, κάτι που μπορεί να σχηματίσει μια μεμβράνη ατμού πάνω στην επιφάνεια». Αυτό το φιλμ εισάγει αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας από την καυτή επιφάνεια στο νερό. «Αν έχουμε ατμό μεταξύ της επιφάνειας και του νερού, αυτό εμποδίζει την απόδοση μεταφοράς θερμότητας και μειώνει την τιμή CHF».
Ο Song, ο οποίος είναι τώρα μεταδιδάκτορας στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, πραγματοποίησε μεγάλο μέρος της έρευνας ως μέρος της διδακτορικής του διατριβής στο MIT. Ενώ τα διάφορα συστατικά της νέας επιφανειακής επεξεργασίας που ανέπτυξε είχαν μελετηθεί προηγουμένως, οι ερευνητές λένε ότι αυτή η εργασία είναι η πρώτη που δείχνει ότι αυτές οι μέθοδοι θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να ξεπεραστεί η αντιστάθμιση μεταξύ των δύο ανταγωνιστικών παραμέτρων.
Η προσθήκη μιας σειράς κοιλοτήτων μικροκλίμακας ή βαθουλωμάτων σε μια επιφάνεια είναι ένας τρόπος ελέγχου του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι φυσαλίδες σε αυτήν την επιφάνεια, και να τις εμποδίσουν να εξαπλωθούν σε ένα φιλμ ανθεκτικό στη θερμότητα. Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές δημιούργησαν μια σειρά από βαθουλώματα πλάτους 10 μικρομέτρων που χωρίζονται κατά περίπου 2 χιλιοστά για να αποτρέψουν το σχηματισμό φιλμ. Αλλά αυτός ο διαχωρισμός μειώνει επίσης τη συγκέντρωση των φυσαλίδων στην επιφάνεια, γεγονός που μπορεί να μειώσει την απόδοση βρασμού. Για να αντισταθμίσει αυτό, η ομάδα εισήγαγε μια πολύ μικρότερης κλίμακας επεξεργασία επιφάνειας, δημιουργώντας μικροσκοπικά εξογκώματα και ραβδώσεις σε κλίμακα νανομέτρων, που αυξάνει την επιφάνεια και προάγει τον ρυθμό εξάτμισης κάτω από τις φυσαλίδες.
Σε αυτά τα πειράματα, οι κοιλότητες κατασκευάστηκαν στα κέντρα μιας σειράς πυλώνων στην επιφάνεια του υλικού. Αυτοί οι πυλώνες, σε συνδυασμό με νανοδομές, προάγουν την απομάκρυνση του υγρού από τη βάση προς τις κορυφές τους, και αυτό ενισχύει τη διαδικασία βρασμού παρέχοντας μεγαλύτερη επιφάνεια εκτεθειμένη στο νερό.
«Αυτές οι μικροκοιλότητες καθορίζουν τη θέση όπου εμφανίζονται οι φυσαλίδες», λέει ο Song. «Αλλά χωρίζοντας αυτές τις κοιλότητες κατά 2 χιλιοστά, διαχωρίζουμε τις φυσαλίδες και ελαχιστοποιούμε τη συνένωση των φυσαλίδων». Ταυτόχρονα, οι νανοδομές προάγουν την εξάτμιση κάτω από τις φυσαλίδες και η τριχοειδής δράση που προκαλείται από τις κολόνες παρέχει υγρό στη βάση της φυσαλίδας. Αυτό διατηρεί ένα στρώμα υγρού νερού μεταξύ της επιφάνειας που βράζει και των φυσαλίδων του ατμού, το οποίο ενισχύει τη μέγιστη ροή θερμότητας.
Πηγή: MIT
