ابداع روشی برای جوشاندن بهینه‌تر آب
انسان‌ها آب را بیش از هر مایع دیگری می‌جوشانند؛ چه برای تهیه‌ی یک فنجای چای، چه برای تولید الکتریسیته در نیروگاه تولید برق. ازاین‌رو، هرگونه افزایش بازدهی این فرایند می‌تواند تأثیر بسزایی بر کاهش مصرف انرژی روزانه بگذارد. اکنون دانشمندان موفق شده‌اند نوع جدیدی از عملیات پردازش سطح را ابداع کنند که می‌تواند نویدبخش صرفه‌جویی انرژی در هنگام حرارات‌دهی به آب باشد. این عملیات پردازش به بهبود دو شاخصه‌ی تعیین‌کننده فرایند جوشش منجر می‌شود: ضریب انتقال گرما و شار حرارتی بحرانی.
در اغلب مواقع، بین این دو مشخصه رابطه‌ی معکوس وجود دارد؛ به‌نوعی که بهبود مقدار یکی از آن‌ها باعث افت مقدار دیگری می‌شود. اکنون، محققان پس از سال‌ها تلاش توانسته‌اند روشی برای بهبود هم‌زمان این دو مشخصه پیدا کنند. یانگ‌ساپ سونگ، دانشمند بیوانفورماتیک از آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی در کالیفرنیا، درباره‌ی این موضوع می‌گوید:
این پارامترها مهم هستند؛ اما بهبود هم‌زمان آن‌ها چندان راحت نیست؛ چراکه نوعی تضاد ذاتی بین آن دو وجود دارد. اگر حباب‌های زیادی در سطح جوشش وجود داشته باشد، یعنی فرایند جوشش بازده زیادی دارد؛ اما اگر حباب بسیاری روی سطح داشته باشیم، ممکن است این حباب‌ها به‌هم‌متصل شوند و لایه‌ای از بخار در سطح جوشش تشکیل دهند.
وجود هرگونه لایه‌ی بخار بین سطح داغ و آب باعث افزایش مقاومت درمقابل انتقال حرارت می‌شود و درنتیجه، مقادیر ضریب انتقال حرارت و شار حرارتی بحرانی کاهش پیدا می‌کنند. برای جلوگیری از بروز این پدیده، محققان عملیات پردازش سطح سه‌مرحله‌ای ابداع کرده‌اند. در ابتدا تیوب‌های بسیار ریزی به سطوح داغ اضافه می‌شود.
این تیوب‌ها با پهنای ۱۰ میکرومتر که با فاصله‌ی ۲ میلی‌متری از یکدیگر قرار گرفته‌اند، باعث کنترل فرایند تشکیل حباب‌ها می‌شوند و از چسبیدن آن‌ها به همدیگر جلوگیری می‌کنند و درنتیجه، مانع از تشکیل لایه‌ی بخار در سطح می‌شوند. بااین‌حال، این کار هم‌زمان باعث کاهش تراکم حباب‌ها در سطح می‌شود که نتیجه‌ی آن کاهش بازدهی فرایند جوشش است.
محققان برای حل این مشکل مرحله‌ی دوم عملیات پردازش سطح را طراحی کرده‌اند. در این مرحله، برجستگی‌ها و تیغه‌های بسیار ریز نانومتری به دیواره‌ی تیوب‌های توخالی اضافه می‌شود تا میزان سطح دردسترس افزایش پیدا کند و به‌تبع آن نرخ تبخیر نیز بهبود یابد. درنهایت، در مرکز یک سری از پیلارهای ساخته‌شده بر سطح حفره‌های میکرومتری قرار داده می‌شوند.
- کشف روشی برای نمک‌زدایی کارآمد و ارزان آب
اضافه‌کردن پیلار (ستون عمود) به سطح جوشش باعث افزایش سطح دردسترس و درنتیجه، افزایش سرعت مکش مایع می‌شود. محققان با ترکیب این سه مرحله از عملیات پردازش سطح توانستند ضریب جوشش را به‌طرز شگفت‌انگیزی افزایش دهند.
افزودن نانوسازه‌ها به سطوح جوشش باعث افزایش میزان تبخیر در زیر سطح حباب‌ها نیز می‌شود. همچنین، تعبیه پیلار روی سطوح به تأمین جریان دائمی از مایع به‌سمت نواحی حباب‌دار منجر می‌شود. وجود مستمر یک لایه از آب بین سطح جوشش و حباب‌ها نیز سبب افزیش حداکثر شار حرارتی می‌شود. اویلین ونگ، مهندس مکانیک مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست می‌گوید:
کشف روشی برای کنترل سطح با هدف ارتقای بازدهی جوشش، تنها قدم اول است. قدم بعدی این است که به روش‌های تجاری‌سازی این عملیات فکر کنیم. سطوحی که با این روش تولید کرده‌ایم، در شکل کنونی خود نمی‌توان به‌صورت تجاری و انبوه تولید کرد.
تبدیل کار آزمایشگاهی کوچک به فرایندی که می‌توان از آن در صنایع تجاری استفاده کرد، پیچ‌و‌خم‌های زیادی دارد؛ اما محققان از عملی‌بودن انجام این کار اطمینان دارند. مسئله‌ی اصلی پیداکردن روشی برای ساختن ساختارهای مدنظر روی سطوح و انجام عملیات پردازش سطح سه‌گانه در مقیاس زیاد است. دراین‌بین، خبر خوش این است که برای انجام این کار، می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد.
همچنین، این امکان وجود دارد که از این روش‌ها برای بهبود بازدهی جوشش مایعات دیگری به‌جز آب استفاده کرد. سانگ می‌گوید: «می‌توان جزئیات این‌چنینی را تغییر داد. این می‌تواند گام بعدی ما باشد.» دستاوردهای این تحقیق در ژورنال Advanced Materials منتشر شده است.
