L’acqua spesso è bollita, che si tratti di una tazza di tè in cucina o di una centrale elettrica che genera elettricità, qualsiasi miglioramento dell’efficienza di questo processo avrà un impatto enorme sulla quantità complessiva di energia utilizzata ogni giorno.
I ricercatori del MIT hanno detto che uno di questi miglioramenti potrebbe arrivare grazie a un trattamento di nuova concezione per le superfici coinvolte nel riscaldamento e nell’evaporazione dell’acqua. Il trattamento migliora due parametri chiave che determinano il processo di ebollizione: il coefficiente di trasferimento del calore (HTC) e il flusso di calore critico (CHF).
È stato evidenziato che nella maggior parte dei casi, c’è un compromesso tra i due: quando uno migliora, l’altro peggiora. Il team di scienziati dopo anni di studio ha trovato un metodo per migliorare entrambi.
Youngsup Song scienziato bioinformatico del Lawrence Berkeley National Laboratory in California, ha detto:
«Entrambi i parametri sono importanti, ma migliorarli insieme è piuttosto complicato perché hanno un intrinseco compromesso, se ci sono molte bolle sulla superficie di ebollizione, significa che l’ebollizione è molto efficiente, ma se ci sono troppe bolle sulla superficie, possono aggregarsi e formare una pellicola di vapore sulla superficie di ebollizione».
Lo studio pubblicato nella rivista Advanced Materials, ha evidenziato che qualsiasi pellicola di vapore tra la superficie calda e l’acqua introduce una resistenza, abbassando l’efficienza del trasferimento di calore e il valore del flusso di calore critico (CHF).
I ricercatori per ovviare al problema, hanno ideato tre diversi tipi di modifica della superficie. In primo luogo, è aggiunta una serie di tubi in microscala, questa serie di tubi di 10 micrometri di larghezza, distanziati di circa 2 millimetri l’uno dall’altro, controlla la formazione delle bolle e le mantiene bloccate nelle cavità. Ciò impedisce la formazione di una pellicola di vapore, allo stesso tempo, riduce la concentrazione di bolle sulla superficie, riducendo l’efficienza di ebollizione.
I ricercatori come seconda modifica hanno introdotto un trattamento su scala ancora più piccola, aggiungendo protuberanze e creste di dimensioni nanometriche sulla superficie dei tubi cavi, questo aumenta la superficie disponibile e favorisce i tassi di evaporazione.
Infine, come terza modifica le cavità in microscala sono state inserite al centro di una serie di cilindri sulla superficie del materiale, accelerano il processo di prelievo del liquido aggiungendo maggiore superficie, in combinazione, l’efficienza di ebollizione è aumentata in modo significativo.
Le nanostrutture poiché favoriscono anche l’evaporazione sotto le bolle e i cilindri mantengono un apporto costante di liquido alla base delle bolle, è possibile mantenere uno strato d’acqua tra la superficie di ebollizione e le bolle, aumentando il flusso di calore massimo (vedi video).
Il video ad alta velocità della configurazione del test dei ricercatori mostra l’ebollizione dell’acqua su una superficie trattata in modo speciale, provoca la formazione di bolle in punti separati specifici anziché diffondersi in una pellicola sulla superficie, portando così a un’ebollizione più efficiente. Il video è stato rallentato di 100 volte per mostrare maggiori dettagli.
Credito: Massachusetts Institute of Technology.
Evelyn Wang ricercatrice, ingegnere meccanico del Massachusetts Institute of Technology, ha detto:
«Dimostrare che possiamo controllare la superficie in questo modo per ottenere un miglioramento è un primo passo, quello successivo è pensare a metodi più scalabili, questo tipo di strutture che stiamo realizzando non sono destinate a essere scalate nella loro forma attuale».
Il team di scienziati ha detto che portare il lavoro da un ambiente di laboratorio su piccola scala a qualcosa che possa essere utilizzato nelle industrie commerciali non sarà così semplice, ma sono fiduciosi che si possa fare.
La sfida sarà trovare il modo di creare le texture di superficie e i tre “livelli” di modifiche. La buona notizia è che ci sono diversi metodi che possono essere esplorati e la procedura dovrebbe funzionare anche per diversi tipi di liquidi.
Youngsup Song in conclusione ha detto: «Questi tipi di dettagli possono essere modificati e questo può essere il nostro prossimo passo».