È raro che un preadolescente si innamori della termodinamica, ma chi è consumato da una tale passione può considerarsi fortunato a finire in un posto come il MIT. Madhumitha Ravichandran certamente sì. Un dottorato di ricerca studente in Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE), Ravichandran incontrò per la prima volta le leggi della termodinamica quando era uno studente delle scuole medie a Chennai, India. "Avevano perfettamente senso per me, "dice. "Guardando il frigorifero di casa, Mi chiedevo se un giorno avrei potuto costruire sistemi energetici che utilizzassero questi stessi principi. È così che è iniziato, e da allora ho mantenuto quell'interesse".

Ora sta attingendo alle sue conoscenze di termodinamica nella ricerca svolta nel laboratorio dell'assistente professore NSE Matteo Bucci, suo supervisore di dottorato. Ravichandran e Bucci stanno acquisendo informazioni chiave sulla "crisi bollente", un problema che ha afflitto a lungo l'industria energetica.

Ravichandran era ben preparata per questo lavoro quando è arrivata al MIT nel 2017. Come studentessa universitaria presso la Sastra University indiana, ha proseguito la ricerca sui "flussi bifase, " esaminando le transizioni subite dall'acqua tra le sue forme liquide e gassose. Ha continuato a studiare l'evaporazione delle goccioline e i fenomeni correlati durante uno stage all'inizio del 2017 presso il Bucci Lab. È stata un'esperienza illuminante, Ravichandran spiega. "Tornando alla mia università in India, solo il 2-3 per cento degli studenti di ingegneria meccanica erano donne, e non c'erano donne nella facoltà. Era la prima volta che affrontavo disuguaglianze sociali a causa del mio genere, e ho attraversato alcune lotte, per non dire altro."

Il MIT ha offerto un gradito contrasto. "La quantità di libertà che mi è stata data mi ha reso estremamente felice, " dice. "Sono sempre stata incoraggiata a esplorare le mie idee, e mi sono sempre sentita inclusa." Era doppiamente felice perché a metà del tirocinio, ha saputo di essere stata accettata al corso di laurea del MIT.

Come un dottorato di ricerca alunno, la sua ricerca ha seguito un percorso simile. Continua a studiare l'ebollizione e il trasferimento di calore, ma Bucci ha dato a questo lavoro una maggiore urgenza. Stanno ora indagando sulla suddetta crisi bollente, che colpisce i reattori nucleari e altri tipi di centrali elettriche che si basano sulla generazione di vapore per azionare le turbine. In un reattore nucleare ad acqua leggera, l'acqua viene riscaldata da barre di combustibile in cui si è verificata la fissione nucleare. La rimozione del calore è più efficiente quando l'acqua che circola oltre le aste bolle. Però, se si formano troppe bolle in superficie, avvolgendo le barre di combustibile in uno strato di vapore, il trasferimento di calore è notevolmente ridotto. Questo non solo diminuisce la generazione di energia, può anche essere pericoloso perché le barre di combustibile devono essere continuamente raffreddate per evitare un temuto incidente di fusione.

Gli impianti nucleari operano a basse potenze nominali per fornire un ampio margine di sicurezza e quindi prevenire il verificarsi di tale scenario. Ravichandran ritiene che questi standard possano essere eccessivamente cauti, a causa del fatto che le persone non sono ancora sicure delle condizioni che portano alla crisi bollente. Ciò danneggia la sostenibilità economica dell'energia nucleare, lei dice, in un momento in cui abbiamo un disperato bisogno di fonti di energia prive di carbonio. Ma Ravichandran e altri ricercatori del Bucci Lab stanno iniziando a colmare alcune importanti lacune nella nostra comprensione.

Inizialmente hanno eseguito esperimenti per determinare la velocità con cui si formano le bolle quando l'acqua colpisce una superficie calda, quanto diventano grandi le bolle, quanto tempo crescono, e come cambia la temperatura superficiale. "Un tipico esperimento è durato due minuti, ma ci sono volute più di tre settimane per individuare ogni bolla che si è formata e seguirne la crescita e l'evoluzione, " spiega Ravichandran.

Per snellire questo processo, lei e Bucci stanno implementando un approccio di machine learning, basato sulla tecnologia delle reti neurali. Le reti neurali sono brave a riconoscere i modelli, compresi quelli associati alla nucleazione di bolle. "Queste reti sono affamate di dati, " dice Ravichandran. "Più dati ricevono, migliori sono le loro prestazioni." Le reti sono state addestrate sui risultati sperimentali relativi alla formazione di bolle su diverse superfici; le reti sono state quindi testate su superfici per le quali i ricercatori NSE non avevano dati e non sapevano cosa aspettarsi.

Dopo aver ottenuto la convalida sperimentale dell'output dai modelli di apprendimento automatico, il team sta ora cercando di ottenere questi modelli per fare previsioni affidabili su quando la crisi della bolla, si, si verificherà. L'obiettivo finale è avere un sistema completamente autonomo in grado non solo di prevedere la crisi bollente, ma mostra anche perché accade e chiudi automaticamente gli esperimenti prima che le cose vadano troppo oltre e le apparecchiature di laboratorio inizino a fondersi.

Intanto, Ravichandran e Bucci hanno fatto alcuni importanti progressi teorici, di cui riferiscono in un articolo pubblicato di recente per Lettere di fisica applicata . C'è stato un dibattito nella comunità dell'ingegneria nucleare sul fatto che la crisi di ebollizione sia causata da bolle che coprono la superficie della barra di combustibile o da bolle che crescono una sopra l'altra, estendendosi verso l'esterno dalla superficie. Ravichandran e Bucci hanno determinato che si tratta di un fenomeno a livello di superficie. Inoltre, hanno individuato i tre principali fattori che scatenano la crisi bollente. Primo, c'è il numero di bolle che si formano su una data superficie, e secondo, la dimensione media delle bolle. Il terzo fattore è il prodotto della frequenza delle bolle (il numero di bolle che si formano in un secondo in un dato sito) e il tempo necessario affinché una bolla raggiunga la sua piena dimensione.

Ravichandran è felice di aver gettato nuova luce su questo problema, ma riconosce che c'è ancora molto lavoro da fare. Sebbene la sua agenda di ricerca sia ambiziosa e quasi totale, non dimentica mai da dove viene e il senso di isolamento che ha provato mentre studiava ingegneria come studentessa universitaria. Lei ha, di sua iniziativa, ha fatto da tutor a studentesse di ingegneria in India, fornendo sia orientamento alla ricerca che consulenza professionale.

"A volte sento che c'era una ragione per cui ho attraversato quelle prime difficoltà, " Dice Ravichandran. "Questo è ciò che mi ha fatto decidere che voglio diventare un'educatrice". È anche grata per le opportunità che le si sono aperte da quando è arrivata al MIT. Un destinatario di una borsa di studio di ingegneria MathWorks 2021-22, lei dice, "ora sembra che gli unici limiti su di me siano quelli che mi sono posto".