Przeprowadzone obserwacje pokazują jasno: w określonych warunkach wymiana ciepła staje się bardziej efektywna. Problem pojawia się dopiero wtedy, gdy temperatura i strumień ciepła przekroczą określoną granicę. Szczegółowe ustalenia w tej sprawie są dostępne na łamach npj Microgravity. Jak się okazuje, eksperyment dotyczył wrzenia ciekłego azotu na wyjątkowo gładkiej powierzchni z dwutlenku krzemu. Badania odbywały się podczas lotów parabolicznych, które pozwalają na krótkotrwałe uzyskanie warunków przypominających mikrograwitację. Naukowcy mogli dzięki temu porównać zachowanie cieczy przy normalnej grawitacji oraz przy przyspieszeniu bliskim zeru.
Czytaj też: Chemicy śledzą reakcję atom po atomie. Ich metoda otwiera nowy rozdział w chemii
Nie jest tajemnicą, iż na Ziemi grawitacja odgrywa istotną rolę w procesie wrzenia. Pęcherzyki pary powstające przy rozgrzanej powierzchni są lżejsze od otaczającej cieczy, dlatego unoszą się ku górze. W ten sposób są usuwane znad źródła ciepła, a ich miejsce zajmuje chłodniejsza ciecz. W mikrograwitacji ten mechanizm praktycznie zanika. Pęcherzyki pozostają znacznie dłużej przy powierzchni grzewczej i mogą łączyć się w większe struktury.
Właśnie tutaj pojawiła się niespodzianka. Zespół kierowany przez Youngsupa Songa z University of Florida odkrył, że zanim wrzenie stanie się niestabilne, pozostające przy powierzchni pęcherzyki mogą wręcz poprawiać transfer ciepła. Między pęcherzykiem a rozgrzaną powierzchnią pozostaje bardzo cienka warstwa cieczy. Według badaczy może ona sprzyjać efektywniejszemu odprowadzaniu energii. Pęcherzyki, zamiast natychmiast odrywać się od powierzchni, pozostają w jej pobliżu i wpływają na sposób transportowania ciepła.
Korzyść ma jednak wyraźną granicę. Gdy obciążenie cieplne rośnie, pęcherzyki zaczynają łączyć się ze sobą, a powierzchnia zostaje coraz bardziej odcięta od ciekłego azotu. W efekcie pojawia się zjawisko przypominające wysuszenie powierzchni, a efektywne chłodzenie gwałtownie się załamuje. Naukowcy ustalili, że krytyczny strumień ciepła w warunkach mikrograwitacji spadał z około 16,15 W/cm² przy normalnej grawitacji do zaledwie 5-6 W/cm². Oznacza to redukcję rzędu 65 procent.
Poczynione ustalenia powinny być bardzo istotne dla przyszłych misji kosmicznych. Ciekłe substancje kriogeniczne, takie jak ciekły wodór czy tlen, mogą stanowić paliwo dla zaawansowanych systemów napędowych. Powinny również służyć do chłodzenia urządzeń pracujących w przestrzeni kosmicznej. W przypadku elektroniki efektywne wrzenie może być pożądane, ponieważ pozwala szybko odbierać nadmiar ciepła. W przypadku zbiorników z paliwem sytuacja jest odwrotna: wrzenie oznacza utratę cennego materiału i wzrost ciśnienia.
Czytaj też: Enigma z początków wszechświata. Archiwalne dane ujawniły nieznany wcześniej łuk grawitacyjny
Z drugiej strony, równie ważna jak sama grawitacja jest konstrukcja powierzchni, z którą styka się ciecz. Wcześniejsze eksperymenty wykorzystywały zwykle metalowe powierzchnie posiadające mikroskopijne nierówności, które wpływają na miejsce powstawania pęcherzyków. Nowe doświadczenie wykorzystało niemal idealnie gładką powierzchnię, pozwalając lepiej oddzielić wpływ grawitacji od właściwości materiału.
Źródło: npj Microgravity
