Molti impianti industriali dipendono dalla condensazione del vapore acqueo su piastre metalliche:nelle centrali elettriche, l'acqua risultante viene quindi restituita ad una caldaia per essere nuovamente vaporizzata; negli impianti di desalinizzazione, produce una scorta di acqua pulita. L'efficienza di tali impianti dipende in modo cruciale dalla facilità con cui le gocce d'acqua possono formarsi su queste piastre metalliche, o condensatori, e come cadono facilmente, lasciando spazio alla formazione di più goccioline.
La chiave per migliorare l'efficienza di tali impianti è aumentare il coefficiente di trasferimento del calore dei condensatori, una misura di quanto facilmente il calore può essere trasferito lontano da quelle superfici, spiega Nenad Miljkovic, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica al MIT. Come parte della sua ricerca di tesi, lui e i suoi colleghi hanno fatto proprio questo:progettare, realizzare e testare una superficie rivestita con motivi nanostrutturati che aumentano notevolmente il coefficiente di trasferimento di calore.
I risultati di quel lavoro sono stati pubblicati sulla rivista Nano lettere , in un articolo co-autore di Miljkovic, professore associato di ingegneria meccanica Evelyn Wang, e altri cinque ricercatori del Device Research Lab (DRL) nel dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.
In un tipico, condensatore piano, il vapore acqueo si condensa formando un film liquido sulla superficie, riducendo drasticamente la capacità del condensatore di raccogliere più acqua fino a quando la gravità non scarica il film. "Funziona come una barriera al trasferimento di calore, " Dice Miljkovic. Lui e altri ricercatori si sono concentrati sui modi per incoraggiare l'acqua a formare goccioline che poi cadono dalla superficie, consentendo una più rapida rimozione dell'acqua.
"Il modo per rimuovere la barriera termica è rimuovere [le goccioline] il più rapidamente possibile, " dice. Molti ricercatori hanno studiato modi per farlo creando superfici idrofobiche, mediante trattamento chimico o mediante modellazione superficiale. Ma Miljkovic e i suoi colleghi hanno ora compiuto un ulteriore passo avanti realizzando superfici scalabili con caratteristiche su scala nanometrica che toccano a malapena le goccioline.
Il risultato:le goccioline non cadono semplicemente dalla superficie, ma in realtà salta via da esso, aumentando l'efficienza del processo. L'energia rilasciata quando minuscole goccioline si fondono per formarne di più grandi è sufficiente per spingere le goccioline verso l'alto dalla superficie, il che significa che la rimozione delle goccioline non dipende esclusivamente dalla gravità.
Altri ricercatori hanno lavorato su superfici nanostrutturate per indurre tali salti, ma questi tendono ad essere complessi e costosi da produrre, di solito richiedono un ambiente clean-room. Questi approcci richiedono anche superfici piane, non i tubi o altre forme spesso usate nei condensatori. Finalmente, la ricerca precedente non ha testato il trasferimento di calore potenziato previsto per questi tipi di superfici.
In un documento pubblicato all'inizio del 2012, i ricercatori del MIT hanno dimostrato che la forma delle goccioline è importante per migliorare il trasferimento di calore. "Ora, abbiamo fatto un passo avanti, " Miljkovic dice, "sviluppare una superficie che favorisce questo tipo di goccioline, pur essendo altamente scalabile e facile da produrre. Per di più, siamo stati effettivamente in grado di misurare sperimentalmente il miglioramento del trasferimento di calore."
Lo schema è fatto, Miljkovic dice, utilizzando un semplice processo di ossidazione a umido direttamente sulla superficie che può essere applicato ai tubi e alle piastre di rame comunemente usati nelle centrali elettriche commerciali.
Lo stesso modello nanostrutturato è fatto di ossido di rame e si forma effettivamente sopra il tubo di rame. Il processo produce una superficie che ricorda un letto di minuscole, foglie appuntite che sporgono dalla superficie; questi punti su scala nanometrica riducono al minimo il contatto tra le goccioline e la superficie, rendendo più facile il rilascio.
Non solo i modelli nanostrutturati possono essere realizzati e applicati in condizioni di temperatura ambiente, ma il processo di crescita si ferma naturalmente. "È una reazione autolimitante, " Miljkovic dice, "se lo metti nella [soluzione di trattamento] per due minuti o due ore."
Dopo aver creato il motivo a foglia, un rivestimento idrofobo viene applicato quando una soluzione di vapore si lega alla superficie modellata senza alterarne significativamente la forma. Gli esperimenti del team hanno mostrato che l'efficienza del trasferimento di calore utilizzando queste superfici trattate potrebbe essere aumentata del 30 percento, rispetto alle migliori superfici di condensazione idrofobe di oggi.
Questo significa, Miljkovic dice, che il processo si presta al retrofit di migliaia di centrali elettriche già in funzione in tutto il mondo. La tecnologia potrebbe essere utile anche per altri processi in cui il trasferimento di calore è importante, come nei deumidificatori e negli impianti di riscaldamento e raffrescamento degli edifici, dicono gli autori.
Le sfide per questo approccio rimangono, Miljkovic dice:Se si formano troppe goccioline, possono "inondare" la superficie, riducendo la sua capacità di trasferimento di calore. "Stiamo lavorando per ritardare questo allagamento superficiale e creare soluzioni più robuste che possano funzionare bene [in] tutte le condizioni operative, " lui dice.
Il team di ricerca comprendeva anche i postdoc Ryan Enright e Youngsuk Nam e gli studenti universitari Ken Lopez, Nicholas Dou e Jean Sack, tutto il dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.
