La condensazione dell'acqua è fondamentale per il funzionamento della maggior parte delle centrali elettriche che forniscono la nostra elettricità, siano esse alimentate a carbone, gas naturale o combustibile nucleare. È anche la chiave per produrre acqua potabile da acqua salata o salmastra. Ma ci sono ancora grandi lacune nella comprensione scientifica di come esattamente l'acqua si condensa sulle superfici utilizzate per trasformare il vapore in acqua in una centrale elettrica, o per condensare l'acqua in un impianto di desalinizzazione a evaporazione.
Una nuova ricerca di un team del MIT offre nuove importanti informazioni su come si formano queste goccioline, e modi per modellare le superfici di raccolta su scala nanometrica per incoraggiare la formazione di goccioline più rapidamente. Queste intuizioni potrebbero consentire una nuova generazione di centrali elettriche e impianti di desalinizzazione significativamente più efficienti, dicono i ricercatori.
I nuovi risultati sono stati pubblicati online questo mese sulla rivista ACS Nano , una pubblicazione dell'American Chemical Society, in un articolo dello studente laureato in ingegneria meccanica del MIT Nenad Miljkovic, postdoc Ryan Enright e professore associato Evelyn Wang.
Sebbene l'analisi dei meccanismi di condensazione sia un campo vecchio, Miljkovic dice, è riemerso negli ultimi anni con l'avvento di tecnologie di micro e nanopatterning che modellano le superfici di condensazione a un livello senza precedenti. La proprietà chiave delle superfici che influenza il comportamento di formazione delle gocce è nota come "bagnabilità, ” che determina se le goccioline stanno in alto su una superficie come gocce d'acqua su una piastra calda, oppure stendere velocemente per formare una pellicola sottile.
È una domanda fondamentale per il funzionamento delle centrali elettriche, dove l'acqua viene bollita utilizzando combustibili fossili o il calore della fissione nucleare; il vapore risultante aziona una turbina collegata a una dinamo, produrre energia elettrica. Dopo essere uscito dalla turbina, il vapore deve raffreddarsi e condensarsi nuovamente in acqua liquida, in modo che possa tornare in caldaia e ricominciare il processo. (Questo è ciò che accade all'interno delle gigantesche torri di raffreddamento viste nelle centrali elettriche.)
Tipicamente, su una superficie condensante, le goccioline diventano gradualmente più grandi mentre aderiscono al materiale attraverso la tensione superficiale. Una volta che diventano così grandi che la gravità vince la tensione superficiale che li tiene in posizione, piovono in un contenitore sottostante. Ma si scopre che ci sono modi per farli cadere dalla superficie - e anche per "saltare" dalla superficie - a dimensioni molto più piccole, molto prima che la gravità prenda il sopravvento. Ciò riduce la dimensione delle goccioline rimosse e rende il trasferimento di calore risultante molto più efficiente, dice Miljkovic.
Un meccanismo è un modello di superficie che incoraggia le goccioline adiacenti a fondersi insieme. Mentre lo fanno, l'energia viene rilasciata, che “provoca un rinculo dalla superficie, e le goccioline salteranno fuori, "dice Miljkovic. Questo meccanismo è stato osservato in precedenza, lui nota, ma il nuovo lavoro “aggiunge un nuovo capitolo alla storia. Pochi ricercatori hanno esaminato in dettaglio la crescita delle goccioline prima del salto”.
Questo è importante perché anche se l'effetto salto consente alle goccioline di lasciare la superficie più velocemente di quanto farebbero altrimenti, se la loro crescita è in ritardo, potresti effettivamente ridurre l'efficienza. In altre parole, non è solo la dimensione della goccia quando viene rilasciata che conta, ma anche quanto velocemente cresce fino a quelle dimensioni.
“Questo non è stato identificato prima, "dice Miljkovic. E in molti casi, la squadra ha trovato, "pensi di ottenere un trasferimento di calore potenziato, ma in realtà stai peggiorando il trasferimento di calore."
In precedenti ricerche, “il trasferimento di calore non è stato esplicitamente misurato, "dice, perché è difficile da misurare e il campo della condensazione con patterning superficiale è ancora piuttosto giovane. Incorporando le misurazioni dei tassi di crescita delle goccioline e del trasferimento di calore nei loro modelli informatici, il team del MIT è stato in grado di confrontare una varietà di approcci alla modellazione della superficie e trovare quelli che effettivamente fornivano il trasferimento di calore più efficiente.
Un approccio è stato quello di creare una foresta di minuscoli pilastri sulla superficie:le goccioline tendono a sedersi sopra i pilastri mentre bagnano solo localmente la superficie anziché bagnare l'intera superficie, minimizzando l'area di contatto e facilitando il rilascio più facile. Ma le dimensioni esatte, spaziatura, i rapporti larghezza-altezza e la rugosità su scala nanometrica dei pilastri possono fare una grande differenza nel modo in cui funzionano, la squadra ha trovato.
"Abbiamo dimostrato che le nostre superfici hanno migliorato il trasferimento di calore fino al 71 percento [rispetto a quelle piatte, superfici non bagnanti attualmente utilizzate solo in sistemi di condensazione ad alta efficienza] se le si adatta correttamente, "dice Miljkovic. Con più lavoro per esplorare le variazioni nei modelli di superficie, dovrebbe essere possibile migliorare ulteriormente, lui dice.
La maggiore efficienza potrebbe anche migliorare il tasso di produzione di acqua negli impianti che producono acqua potabile dall'acqua di mare, o anche nei nuovi sistemi di energia solare proposti che si basano sulla massimizzazione della superficie dell'evaporatore (collettore solare) e sulla riduzione al minimo della superficie del condensatore (scambiatore di calore) per aumentare l'efficienza complessiva della raccolta di energia solare. Un sistema simile potrebbe migliorare la rimozione del calore nei chip dei computer, che si basa spesso sull'evaporazione interna e sulla ricondensazione di un liquido termovettore attraverso un dispositivo chiamato heat pipe.
Chuan Hua Chen, un assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University che non era coinvolto in questo lavoro, dice, “È intrigante vedere la coesistenza di gocce di condensa a forma di sfera e di palloncino sulla stessa struttura. Si sa molto poco alle scale risolte dal microscopio elettronico ambientale utilizzato in questo articolo. Tali risultati influenzeranno probabilmente la ricerca futura sui materiali anti-rugiada e sui... condensatori».
Il prossimo passo della ricerca, in corso ora, è estendere i risultati degli esperimenti con le goccioline e della modellazione al computer e trovare configurazioni e modi ancora più efficienti per produrli rapidamente ed economicamente su scala industriale, dice Miljkovic.
Questo lavoro è stato supportato come parte del MIT S3TEC Center, un Energy Frontier Research Center finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
