Gli scienziati hanno progettato espressioni matematiche che stimano in modo più accurato il movimento del gas attraverso pori di dimensioni nanometriche. Questo potrebbe aiutare a migliorare lo sviluppo delle celle a combustibile.

Molti dispositivi ingegnerizzati dipendono dal flusso di gas attraverso un mezzo poroso. Nei convertitori catalitici, Per esempio, i gas di scarico nocivi delle automobili passano attraverso un mezzo poroso di perline di ceramica rivestite con un catalizzatore che li converte in composti innocui. Anche, nelle celle a combustibile in fase di sviluppo per veicoli ecologici, l'idrogeno e l'ossigeno passano attraverso un catalizzatore poroso che li converte in acqua, produrre energia elettrica.

Gli ingegneri hanno bisogno di una chiara comprensione di come i gas si muovono attraverso i mezzi porosi per migliorare questi dispositivi. Però, è difficile misurare il trasporto di molecole attraverso pori di dimensioni nanometriche.

Ricercatori dell'Università di Tohoku in Giappone specializzati nella dinamica dei gas rarefatti, insieme ai colleghi di Honda R&D Co., srl, ha utilizzato simulazioni al computer per sviluppare due espressioni matematiche che stimano la velocità del flusso di gas attraverso un mezzo poroso.

Le espressioni sembrano equazioni, ma in realtà mostrano una relazione fisica tra la velocità del flusso attraverso un mezzo poroso e il gradiente di pressione, che può aiutare a comprendere il trasporto molecolare attraverso mezzi porosi. Ciò potrebbe aiutare a far progredire lo sviluppo di celle a combustibile più rispettose dell'ambiente per le automobili e persino per le future navette spaziali.

Il team ha utilizzato il metodo della "simulazione diretta Monte Carlo (DSMC), ' che modella il flusso di gas a bassa pressione utilizzando molecole di simulazione. Nel loro studio, i mezzi porosi erano rappresentati da particelle sferiche solide disposte casualmente. Il team ha studiato cosa è successo quando un flusso costante di molecole di idrogeno è stato guidato attraverso il mezzo da un gradiente di pressione costante. Sono state eseguite simulazioni per diverse porosità e diverse dimensioni di particelle solide.

Il team ha scoperto che la velocità del flusso di gas attraverso un mezzo poroso aumenta in proporzione all'aumento del gradiente di pressione. Questo mostra che la legge di Darcy, che afferma che la portata del fluido attraverso un mezzo poroso è proporzionale al gradiente di pressione, si applica anche con pori di dimensioni nanometriche. Però, hanno trovato modelli convenzionali, come l'equazione di Kozeny-Carman, che viene spesso utilizzato per stimare la velocità del flusso attraverso un mezzo poroso, ha prodotto stime diverse dai risultati delle simulazioni DSMC quando i pori microdimensionati sono stati convertiti in pori nanodimensionali.

Quando i pori sono relativamente grandi, la differenza di pressione induce il flusso di gas. Il flusso si stabilizza quando la forza viscosa esercitata sul gas in corrispondenza delle pareti dei pori bilancia la forza dovuta alla differenza di pressione. Questo è chiamato "flusso viscoso". D'altra parte, quando i pori sono nanodimensionati, le molecole di gas non possono rilevare direttamente la differenza di pressione perché le collisioni molecola-molecola sono molto meno frequenti rispetto alle collisioni molecola-parete. In questo caso, le molecole di gas si disperdono in direzioni casuali dopo collisioni molecola-parete. Questi moti molecolari caotici inducono un flusso molecolare netto nella direzione di una minore concentrazione. Questo è chiamato "flusso di Knudsen". Il motivo per cui i modelli convenzionali hanno prodotto stime imprecise nel caso di pori di dimensioni nanometriche è perché in quei modelli viene considerato solo il flusso viscoso.

Il team ha sviluppato due espressioni matematiche che descrivono la velocità del flusso di gas attraverso un mezzo poroso. Consideravano un mezzo poroso come un fascio di tubi capillari tortuosi, il cui diametro è uguale alla distanza media percorsa da una molecola tra successive collisioni molecola-parete. Le loro espressioni per un mezzo poroso sono state costruite sovrapponendo i contributi dei flussi viscosi e di Knudsen attraverso i tubi capillari tortuosi.

Il team ha scoperto che l'inserimento di informazioni come il diametro delle particelle e la porosità in queste espressioni ha portato a stime della velocità del flusso che concordavano bene con i risultati della simulazione DSMC.

"Le nostre espressioni saranno applicabili a qualsiasi gas con molecole semplici e a qualsiasi mezzo poroso con una struttura interna arbitraria, ", afferma Shigeru Yonemura dell'Università di Tohoku, l'autore corrispondente dello studio. "Questa conoscenza sarà utile non solo per le tecnologie delle celle a combustibile, ma anche per qualsiasi tecnologia che implichi il flusso di gas attraverso un mezzo poroso. Il nostro prossimo passo è costruire un'espressione teorica per la tortuosità del tubo capillare. Con questo, saremo in grado di completare le nostre espressioni per stimare le velocità del flusso di gas attraverso qualsiasi mezzo poroso."