Wasser wird viel gekocht – sei es eine Tasse Tee in der Küche oder im Kraftwerk. Jede Verbesserung der Effizienz dieses Prozesses wird sich erheblich auf die Gesamtenergiemenge auswirken, die täglich dafür verwendet wird.
Eine solche Verbesserung könnte mit einer neu entwickelten Behandlung von Oberflächen einhergehen, die zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser verwendet werden. Die Verarbeitung verbessert zwei Schlüsselparameter, die den Kochprozess definieren: den Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) und den kritischen Wärmefluss (CHF).
Meistens gibt es einen Kompromiss zwischen den beiden – je besser das eine, desto schlechter das andere. Nach jahrelanger Suche hat der Suchbegriff hinter dieser Technik einen Weg gefunden, beides zu verbessern.
„Beide Parameter sind wichtig, aber die Optimierung beider Parameter zusammen ist ziemlich schwierig, weil sie einen intrinsischen Kompromiss haben“, sagt der Bioinformatiker Yongsap Song Vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien.
„Wenn wir viele Blasen auf der kochenden Oberfläche haben, dann ist das Kochen sehr effizient, aber wenn wir zu viele Blasen auf der Oberfläche haben, können sie miteinander verschmelzen, was eine Dampfschicht über der kochenden Oberfläche bilden könnte.“
Jeder Dampffilm zwischen der heißen Oberfläche und dem Wasser stellt einen Widerstand dar, der die Wärmeübertragungseffizienz und den CHF-Wert verringert. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten die Forscher drei verschiedene Arten der Oberflächenmodifikation.
Zunächst wird eine Reihe von Mikrotubuli hinzugefügt. Diese Gruppe von Röhren mit einer Breite von 10 &mgr;m und einem Abstand von etwa 2 mm steuert die Blasenbildung und hält die Blasen in den Hohlräumen fest. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Dampffilm bildet.
Gleichzeitig verringert es die Konzentration von Blasen an der Oberfläche, was die Siedeeffizienz verringert. Um dies anzugehen, führten die Forscher als zweite Modifikation eine Behandlung in kleinerem Maßstab ein, indem sie nur nanometergroße Vorsprünge und Kanten innerhalb der Oberfläche der hohlen Röhren hinzufügten. Dies erhöht die verfügbare Oberfläche und verbessert die Verdunstungsraten.
Schließlich wurden Mikrohohlräume in der Mitte einer Reihe von Säulen auf der Oberfläche des Materials platziert. Diese Schwaden beschleunigen den Flüssigkeitsentzugsprozess, indem sie mehr Oberfläche hinzufügen. Kombiniert erhöht sich die Siedeeffizienz deutlich.
Oben: Ein von den Forschern verlangsamtes Video zeigt Wasser, das auf einer speziell behandelten Oberfläche kocht und an bestimmten Stellen Blasen bildet.
Da die Nanostrukturen auch die Verdunstung unter den Blasen fördern und die Säulen eine konstante Flüssigkeitszufuhr zum Boden der Blase aufrechterhalten, kann eine Wasserschicht zwischen der siedenden Oberfläche und den Blasen aufrechterhalten werden – was einen maximalen Wärmefluss fördert.
„Die Demonstration unserer Fähigkeit, die Oberfläche auf diese Weise zu manipulieren, um eine Optimierung zu erreichen, ist der erste Schritt“, Maschinenbauingenieurin Evelyn Wang sagt: vom Massachusetts Institute of Technology. „Dann ist der nächste Schritt, über besser skalierbare Ansätze nachzudenken.“
„Diese Arten von Strukturen, die wir herstellen, sind nicht dazu gedacht, in ihre aktuelle Form zu skalieren.“
Die Verlagerung der Arbeit von einem kleinen Labor in etwas, das in der kommerziellen Industrie verwendet werden kann, wird nicht sehr einfach sein, aber die Forscher sind zuversichtlich, dass dies möglich ist.
Eine Herausforderung besteht darin, Wege zu finden, um die Oberflächentextur und die „drei Ebenen“ der Anpassungen zu erstellen. Die gute Nachricht ist, dass es verschiedene Methoden gibt, die untersucht werden können, und das Verfahren sollte auch für verschiedene Arten von Flüssigkeiten funktionieren.
„Solche Details können geändert werden, und das könnte unser nächster Schritt sein“, gesungen sagt.
Die Suche wurde veröffentlicht in fortgeschrittene Werkstoffe.