La complessa rete di vene che ci mantiene freschi durante il caldo estivo ha ispirato gli ingegneri a creare nuovi sistemi di gestione termica. Ma replicando il sistema circolatorio, nella forma o nella funzione, non è stato un compito facile. Recentemente, un team di ricercatori della Drexel University e della North Carolina State University ha creato una piattaforma computazionale che potrebbe essere la chiave per imitare il sistema di raffreddamento ottimizzato per l'evoluzione del corpo. Microvascolare

In uno studio pubblicato su Giornale internazionale di trasferimento di calore e di massa , Ahmad Najafi, dottorato di ricerca, un professore al College of Engineering di Drexel, e il suo collaboratore di facoltà, Jason Patrizio, dottorato di ricerca, dalla North Carolina State University, relazione su come una tecnica computazionale che hanno sviluppato può produrre rapidamente progetti per la stampa 3D di materiali compositi in fibra di carbonio con una vascolarizzazione interna ottimizzata per il raffreddamento attivo.

"Quando hai caldo, il corpo invia un segnale al sistema circolatorio per pompare più sangue sulla superficie della pelle, ecco perché a volte diventiamo rossi in faccia", ha detto Najafi. "Questo è un metodo naturale per dissipare il calore che funziona così bene, scienziati e ingegneri hanno cercato per anni di replicare nei sistemi di raffreddamento meccanico, come quelli che impediscono il surriscaldamento di auto e computer".

L'ultimo articolo di Najafi e Patrick descrive una piattaforma integrata per progettare e creare compositi microvascolari bioispirati che possono fare proprio questo.

In pochi minuti, il loro programma per computer, coniato HyTopS, che è l'abbreviazione di topologia ibrida/ottimizzazione della forma, può produrre uno schema per una rete vascolare con la forma ideale, dimensione e distribuzione dei micro-vasi per raffreddare attivamente un materiale attraverso la circolazione del liquido, un trucco che ha richiesto a Madre Natura più di alcuni cicli evolutivi di perfezionarsi.

I compositi in fibra microvascolare sono attualmente in fase di sviluppo per raffreddare qualsiasi cosa, dai veicoli elettrici agli aerei di nuova generazione, dove prestazioni sempre più elevate aumentano il calore che generano.

"Questi materiali moderni potrebbero rivoluzionare tutto, dai veicoli spaziali ipersonici all'imballaggio delle batterie nelle auto elettriche e persino i sistemi di raffreddamento dei supercomputer. Mentre le cose si muovono più velocemente, e la produzione di energia e la potenza di calcolo continuano ad aumentare, viene generata un'enorme quantità di calore che richiede nuovi approcci al raffreddamento, "Ha detto Patrick. "Ispirato dai sistemi circolatori negli organismi viventi, la micro-vascolarizzazione interna fornisce un mezzo efficace per la regolazione termica nei materiali sintetici."

Questo ramo della ricerca basata sulla bioispirazione esiste solo da un decennio circa, ma i risultati che ha generato sono già abbastanza promettenti, secondo Najafi/Patrick che hanno iniziato la loro carriera accademica presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign sviluppando materiali microvascolari per l'autoguarigione, raffreddamento attivo e non solo.

Parte della loro recente spinta alla ricerca è quella di sostituire i sistemi metallici più tradizionali che trasferiscono il calore attraverso l'acqua o l'aria. Sebbene sia stata una soluzione affidabile, chiunque abbia trasportato un'unità finestra del condizionatore d'aria capirà sicuramente perché un diverso sistema di raffreddamento sarebbe un miglioramento per qualsiasi veicolo o componente che sta cercando di ridurre il peso.

"I compositi microvascolari offrono molti vantaggi rispetto ai sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria esistenti, in primis, sono molto più leggeri con una forza paragonabile, ma sono anche molto resistenti, il che è importante se si considera l'effetto diffuso della corrosione sui componenti metallici, " Najafi triste. "E se consideri questi tra gli altri fattori, è facile capire perché vengono ricercati nel settore aerospaziale, settore automobilistico ed energetico".

Per mettere alla prova il loro metodo di ottimizzazione, i ricercatori hanno progettato e costruito un composito microvascolare in fibra di carbonio utilizzando la stampa 3D e hanno testato le sue capacità di raffreddamento rispetto a un progetto di riferimento di studi precedenti. Dopo aver riscaldato i compositi di carbonio a una temperatura massima, il liquido di raffreddamento (simile a quello della tua auto) è stato pompato attraverso ogni rete vascolare per iniziare il processo di raffreddamento.

Il composito di carbonio ottimizzato da HyTopS non era solo più fresco, ma più uniforme in termini di distribuzione della temperatura superficiale, ed è stato in grado di raffreddarsi più velocemente rispetto al progetto di riferimento.

Oltre alle prestazioni superiori del materiale ottimizzato, il vantaggio del metodo HyTopS è che calcola automaticamente l'impatto delle modifiche al diametro e alla disposizione dei canali, così come il modo in cui sono collegati tra loro. Prende in considerazione la composizione del materiale e la geometria complessiva del sistema da raffreddare e le corrispondenti caratteristiche di trasferimento di calore. E tiene conto dei parametri relativi al processo di fabbricazione, quindi il progetto finale è un materiale microvascolare realistico che può essere realizzato mediante stampa 3D o altri approcci di fabbricazione accessibili.

"È quasi impossibile riprodurre l'intera complessità del microvascolare naturale, ma il nostro programma consente una grande quantità di input di ottimizzazione e considera i parametri di produzione per garantire che il progetto possa essere effettivamente costruito, ", ha detto Najafi.

Il team collaborativo intende utilizzare il metodo HyTopS per esplorare altri aspetti intriganti e interdisciplinari dei compositi microvascolari, compresa la meccanica strutturale e l'elettromagnetismo.