Wrzenie wody to jedno z najbardziej podstawowych zjawisk przyrody, które jest też podstawą wielu procesów przemysłowych, m.in. w elektrowniach, zakładach chemicznych czy systemach chłodzenia elektroniki. Poprawa wydajności systemów, które podgrzewają i odparowują wodę, mogłaby znacznie zmniejszyć ich zużycie energii. Naukowcy z MIT znaleźli sposób, jak to zrobić. Opisano go w czasopiśmie Advanced Materials.
Jak sprawić, by woda wrzała efektywniej?
Znamy dwa kluczowe parametry, które opisują proces wrzenia: współczynnik przenikania ciepła i krytyczny strumień ciepła. Przy projektowaniu materiałów zazwyczaj próbuje się osiągnąć kompromis między tymi parametrami, ale poprawa jednego zwykle pogarsza drugi. Teraz nastąpił przełom – naukowcy z MIT wiedzą jak poprawić oba.
Czytaj też: Co decyduje o wytrzymałości metali? Naukowcy MIT odkrywają ich sekrety
Oba parametry są ważne, ale zwiększanie obu jest w pewnym sensie trudne. Jeśli mamy dużo pęcherzyków na powierzchni wrzenia, oznacza to, że wrzenie jest bardzo wydajne, ale jeśli mamy zbyt wiele pęcherzyków na powierzchni, mogą one łączyć razem, co może tworzyć mgiełkę pary nad powierzchnią wrzenia. Ta mgiełka wprowadza opór do wymiany ciepła z gorącej powierzchni do wody. Jeśli mamy parę pomiędzy powierzchnią a wodą, to uniemożliwia to wydajność wymiany ciepła i obniża wartość krytycznego strumienia ciepła.Youngsup Song z Lawrence Berkeley National Laboratory (kiedyś MIT)
Kontrolować tworzenie się pęcherzyków powietrza można dzięki dodaniu serii mikroskopijnych wgłębień do powierzchni. Naukowcy z MIT stworzyli układ wgłębień o szerokości 10 mikrometrów, oddzielonych od siebie o ok. 2 mm, aby zapobiec powstawaniu mgiełki. Ale ta separacja zmniejsza również koncentrację pęcherzyków na powierzchni, co może zmniejszyć wydajność wrzenia. Aby to zrekompensować, zespół wprowadził znacznie mniejszą skalę obróbki powierzchni, tworząc drobne nierówności i grzbiety w skali nanometrów, co zwiększa powierzchnię i sprzyja szybkości parowania pod pęcherzykami.
Te mikrowgłębienia określają pozycję, w której pojawiają się pęcherzyki. Ale oddzielając te zagłębienia o 2 milimetry, oddzielamy pęcherzyki i minimalizujemy ich łączenie. W tym samym czasie nanostruktury promują parowanie pod bańkami, a działanie kapilarne wywołane przez filary dostarcza ciecz do podstawy bańki. To utrzymuje warstwę ciekłej wody pomiędzy powierzchnią wrzenia a pęcherzykami pary, co zwiększa maksymalny strumień ciepła.Youngsup Song
Kombinacja tego rodzaju obróbki powierzchni może działać, ale to dopiero początek prac. Badania wykonano w warunkach laboratoryjnych na małą skalę, które nie mogły być łatwo skalowane do praktycznych urządzeń. Jednym z kolejnych kroków będzie znalezienie alternatywnych sposobów tworzenia tego rodzaju tekstur powierzchni.
