(Phys.org)—Normalmente quando un liquido viene riscaldato al di sopra del suo punto di ebollizione, evapora, trasformandosi in vapore. Ma quando gli scienziati hanno recentemente eseguito un esperimento sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), osservarono che il vapore vicino a un tubo di calore si condensava in un liquido anche quando la temperatura era di 160 K al di sopra del normale punto di ebollizione della sostanza. I risultati mostrano che la microgravità altera significativamente i processi di evaporazione e condensazione, ma gli scienziati non hanno ancora una spiegazione completa del fenomeno.

Il gruppo di ricerca, composto da scienziati del Rensselaer Polytechnic Institute e del NASA Glenn Research Center, hanno pubblicato un articolo sulle osservazioni sorprendenti in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Questa non è la prima volta che un comportamento imprevisto nei tubi di calore, che sono dispositivi utilizzati per raffreddare i componenti di un veicolo spaziale, è stato osservato in condizioni di microgravità. Nel 2015, molti degli stessi ricercatori hanno fatto una relazione, osservazione controintuitiva durante gli esperimenti condotti sulla ISS.

A quel tempo, i ricercatori hanno osservato che l'aumento dell'apporto di calore a un tubo di calore non ha causato l'essiccazione del dispositivo vicino all'estremità riscaldata come avviene sulla Terra, ma invece ha causato l'accumulo di liquidi lì. Al tempo, i processi responsabili di questo fenomeno non sono stati completamente compresi.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno eseguito un esperimento simile con il tubo di calore con il pentano e hanno scoperto che, all'aumentare dell'apporto di calore alla superficie, la quantità di condensa è aumentata. Hanno osservato l'effetto a temperature fino a 160 K al di sopra del normale punto di ebollizione del pentano, il punto in cui l'esperimento ha raggiunto i suoi limiti di sicurezza. Generalmente, il liquido al di sopra del suo punto di ebollizione si dice che sia in uno stato "surriscaldato". Qui, i ricercatori descrivono l'estremità calda del tubo di calore come inondata di liquido surriscaldato.

Sebbene i ricercatori non dispongano di una spiegazione teorica completa per le cause di questo fenomeno di condensazione, sanno in base a ricerche precedenti che deriva in parte a causa dell'effetto Marangoni. Questo effetto deriva dalle caratteristiche fisiche del tubo di calore. Un tubo di calore ha un'estremità riscaldata e un'estremità raffreddata, che crea un gradiente di temperatura primario lungo l'asse caldo-freddo del tubo. Ma poiché il film liquido sulla superficie del tubo di calore non è uniforme, il gradiente di temperatura è tridimensionale e varia su tutta la superficie del tubo.

Questi gradienti di temperatura, a sua volta, creare gradienti di tensione superficiale. Questo porta poi all'effetto Marangoni, che si verifica quando il liquido più freddo, che ha una tensione superficiale maggiore rispetto al liquido più caldo, tira verso di sé il liquido più caldo. Alla fine, l'effetto produce flussi guidati da Marangoni, uno dall'estremità riscaldata all'estremità raffreddata, e un altro dal centro del tubo ai suoi bordi. Questi flussi si verificano anche nella "zona di evaporazione" calda del tubo, e generano un'instabilità nello strato liquido che rinforza la condensazione. Gli scienziati sospettano anche che le micro o nanoparticelle sulla superficie del tubo amplificano le perturbazioni naturali e quindi aiutano ad avviare la condensazione in quelle regioni.

Come spiegano gli scienziati, la ragione per cui questa condensa è facilmente osservabile in un ambiente di microgravità ma non sulla Terra è che la gravità più forte sulla Terra limita il flusso di ritorno del liquido dall'estremità raffreddata all'estremità riscaldata del tubo di calore, che riduce notevolmente le forze Marangoni. Tuttavia, gli scienziati notano che il fenomeno della condensazione si verifica sotto la gravità terrestre, anche se su scala ridotta, ed è facilmente confuso con la contaminazione superficiale.

Globale, gli scienziati spiegano che l'insolito comportamento del fluido è scientificamente interessante per alcuni motivi.

"Ci sono due aspetti fondamentalmente interessanti dello studio, " ha detto il coautore Joel Plawsky del Rensselaer Polytechnic Institute Phys.org . "Il primo è il comportamento emergente che deriva dall'avere un sistema chiuso. Né il fenomeno delle inondazioni a cui abbiamo assistito nel 2015 né il fenomeno della condensa a cui abbiamo assistito qui sono stati osservati in sistemi più aperti dove si è verificata solo evaporazione o solo condensazione. In questo sistema, poiché il liquido condensato e il liquido evaporante sono in costante comunicazione tra loro, sorgono comportamenti fluidi più insoliti.

"Il secondo aspetto interessante è quanto possano essere importanti le forze interfacciali e soprattutto intermolecolari, anche se operano su scale di lunghezza di molti ordini di grandezza inferiori alla scala del tubo di calore. In questo caso, le forze intermolecolari di ripristino aiutano ad alimentare la condensazione localmente, e questo si traduce in grandi cambiamenti nello spessore del film che possono essere osservati a livello globale. Ancora, ciò si verifica solo se tutte le scale di lunghezza possono scambiare informazioni tra loro come possono in un ambiente chiuso, sistema di tubi di calore."

Oltre ad essere di fondamentale interesse, i risultati potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere i limiti dei tubi di calore come dispositivi di raffreddamento per veicoli spaziali, e guidare la progettazione di versioni migliorate. Intanto, i ricercatori hanno in programma di studiare ulteriormente il comportamento dei fluidi in condizioni di microgravità attraverso esperimenti modificati.

"Noi, e un certo numero di altri, hanno dimostrato che l'aggiunta di un secondo componente chimico al sistema può annullare alcune delle caratteristiche dannose osservate durante il funzionamento con un fluido puro, " Plawsky ha detto. "Faremo esperimenti, simili a quelli che abbiamo già eseguito, con miscele fluide. In tali casi, sottolinea Marangoni, guidato da gradienti di temperatura, può essere compensato da tensioni opposte guidate da gradienti di composizione. Però, poiché uno ora ha aggiunto un altro grado di libertà aggiungendo il secondo componente, aggiuntivo, potrebbero verificarsi fenomeni inaspettati."

Ha aggiunto che, se la ISS dovesse essere dotata di una capacità di acquisizione di immagini ad alta velocità, consentirebbe ai ricercatori di indagare sull'esatta natura dell'instabilità e su come l'instabilità cambia in frequenza e ampiezza al variare dell'apporto di calore nel dispositivo.

"Si parla di sviluppare un impianto di tubi di calore sulla Stazione Spaziale Internazionale, " ha detto. "Se questo potesse essere costruito sarebbe molto interessante essere in grado di indagare su geometrie alternative come anelli di pompaggio capillare, tubi di sezione trasversale triangolare, o tubi di calore oscillanti a più gambe e vedere se si verificano fenomeni imprevisti su larga scala. Tutti questi esperimenti sarebbero stati fatti con sistemi trasparenti. Anche se un sistema trasparente non funzionerà con la stessa efficienza di un sistema metallico, offre il vantaggio di poter vedere dove si trovano il liquido e il vapore e comprendere meglio la fluidodinamica che si verifica all'interno."

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