I tubi di calore sono dispositivi per impedire il surriscaldamento delle apparecchiature critiche. Trasferiscono il calore da un punto all'altro attraverso un processo di evaporazione-condensazione e sono utilizzati in tutto, dai telefoni cellulari e laptop ai condizionatori d'aria e ai veicoli spaziali.

Normalmente, i tubi di calore contengono stoppini metallici porosi che restituiscono il liquido all'estremità riscaldata del tubo dove evapora. Ma gli ingegneri stanno lavorando per sviluppare tubi di calore senza stoppini che siano più leggeri e più affidabili. I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno avviato il progetto Constrained Vapor Bubble (CVB) per studiare questi tubi di calore senza stoppini da utilizzare in ambienti a gravità quasi zero per applicazioni aerospaziali.

"Le strutture in stoppino possono essere difficili da mantenere pulite o intatte per lunghi periodi di tempo. Il problema è particolarmente acuto per le applicazioni, come la missione Journey to Mars della NASA, che premiano l'affidabilità e la minima manutenzione, " ha detto il professor Joel Plawsky, che dirige il dipartimento Isermann di ingegneria chimica e biologica a Rensselaer.

Lavorando con un team di ingegneri della NASA, i ricercatori stanno conducendo esperimenti CVB presso la Stazione Spaziale Internazionale. Plawsky e il ricercatore post-dottorato Thao Nguyen hanno recentemente scritto un articolo sul progetto CVB in La fisica oggi , pubblicato dall'Istituto Americano di Fisica.

"Il progetto CVB è progettato per registrare, per la prima volta, la distribuzione completa di vapore e liquido in un condotto termico operante in microgravità. I risultati potrebbero portare allo sviluppo di sistemi di raffreddamento più efficienti nella microelettronica sulla Terra e nello spazio, " ha detto Plawsky.

Una tecnologia familiare in un ambiente sconosciuto

Un tubo di calore è parzialmente riempito con un fluido di lavoro, come l'acqua, e poi sigillato. Alla fonte di calore, o evaporatore, il liquido assorbe calore e vaporizza. Il vapore viaggia lungo il tubo di calore fino al condensatore, ri-liquefa e rilascia il suo calore latente, eventualmente tornando all'evaporatore, senza parti in movimento.

Nell'esperimento CVB, Il team di Plawsky ha creato un tubo di calore in miniatura, utilizzando pentano (un liquido organico) in una cuvetta di vetro con angoli squadrati. Un riscaldatore a resistenza elettrica è stato collegato all'estremità dell'evaporatore. D'altra parte, una serie di refrigeratori termoelettrici manteneva fissa la temperatura del condensatore. Il tubo trasparente ha permesso ai ricercatori di studiare in dettaglio la fluidodinamica, e gli spigoli vivi della cuvetta sostituirono il lavoro dello stoppino.

Due forze principali influenzano le prestazioni di un tubo di calore:le forze capillari e Marangoni. La forza capillare è ciò che spinge il liquido indietro verso l'evaporatore. Questa è la stessa forza che fa salire il liquido su una cannuccia. La forza di Marangoni deriva da una variazione della tensione superficiale del fluido con la temperatura. Questa forza si oppone alla forza capillare e spinge il liquido dall'evaporatore al condensatore.

Un atto di equilibrio

Quando la quantità di liquido che evapora è maggiore di quella che può essere pompata indietro dalla forza capillare, l'estremità dell'evaporatore del tubo di calore inizia ad asciugarsi. Questo "limite capillare" è la limitazione delle prestazioni più comune di un tubo di calore.

I ricercatori si aspettavano che accadesse la stessa cosa nell'esperimento CVB. Ma, Invece, l'evaporatore si è inondato di liquido. Questo perché i Marangoni e le forze capillari non combattevano più contro la gravità. Di conseguenza, la forza Marangoni ha sopraffatto la forza capillare, provocando la formazione di condensa all'estremità dell'evaporatore. Però, l'effetto netto era lo stesso come se il tubo di calore si fosse prosciugato.

"Mentre la regione allagata cresceva, il tubo ha fatto un lavoro peggiore di evaporazione del liquido, proprio come accadrebbe se il riscaldamento si stesse asciugando, " ha detto Plawsky.

I ricercatori hanno contrastato questo problema nella fase successiva del progetto CVB aggiungendo una piccola quantità di isoesano al pentano. L'isoesano bolle a una temperatura più elevata e ha una tensione superficiale più elevata. Questo cambiamento di tensione superficiale annulla la forza di Marangoni guidata dalla temperatura, ripristinare le prestazioni del tubo di calore.

"La School of Engineering di Rensselaer e la NASA hanno avuto collaborazioni di lunga data e produttive su una serie di importanti progetti di ricerca, " ha detto il preside di Ingegneria Shekhar Garde. "Dr. La ricerca sui tubi di calore di Plawsky è un ottimo esempio del nostro lavoro con la NASA per aiutare a tradurre la comprensione fondamentale dei liquidi in applicazioni del mondo reale qui sulla Terra e nello spazio".