Mejorar la eficiencia de los sistemas que calientan y evaporan agua podría reducir significativamente su consumo de energía. Ahora, investigadores del MIT han encontrado una manera de lograrlo, con un tratamiento superficial especialmente adaptado a los materiales utilizados en estos sistemas.
La eficiencia mejorada proviene de una combinación de tres tipos diferentes de modificaciones de la superficie, en diferentes escalas de tamaño. Los nuevos hallazgos se describen en la revisión. Materiales avanzados en un artículo del recién graduado del MIT Youngsup Song PhD ’21, la profesora de ingeniería de Ford Evelyn Wang y otros cuatro en el MIT. Los investigadores señalan que este descubrimiento inicial todavía está a escala de laboratorio y que se necesita más trabajo para desarrollar un proceso práctico a escala industrial.
Dos parámetros clave describen el proceso de ebullición: el coeficiente de transferencia de calor (HTC) y el flujo de calor crítico (CHF). En el diseño de materiales, generalmente hay una compensación entre los dos, por lo que cualquier cosa que mejore uno tiende a empeorar el otro. Pero ambas son importantes para la eficiencia del sistema, y ahora, después de años de trabajo, el equipo ha logrado mejorar significativamente ambas propiedades al mismo tiempo, gracias a la combinación de diferentes texturas añadidas a la superficie de un material.
«Ambos parámetros son importantes», dice Song, «pero mejorar ambos parámetros juntos es un poco complicado porque tienen una compensación inherente». La razón es, explica, «porque si tenemos muchas burbujas en la superficie de ebullición, significa que la ebullición es muy eficiente, pero si tenemos demasiadas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar un vapor». película sobre la superficie de ebullición. Esta película introduce resistencia a la transferencia de calor desde la superficie caliente al agua. «Si tenemos vapor entre la superficie y el agua, inhibe la eficiencia de la transferencia de calor y reduce el valor de CHF», dice.
Song, que ahora es un posdoctorado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, hizo gran parte de la investigación como parte de su tesis doctoral en el MIT. Si bien los diversos componentes del nuevo tratamiento de superficie que desarrolló se habían estudiado antes, los investigadores dicen que este trabajo es el primero en mostrar que estos métodos podrían combinarse para superar el compromiso entre los dos parámetros en competencia.
Agregar una serie de cavidades microscópicas, o protuberancias, a una superficie es una forma de controlar la forma en que se forman las burbujas en esa superficie, manteniéndolas fijas de manera efectiva en las ubicaciones de las protuberancias y evitando que se extiendan en una película resistente al calor. En este trabajo, los investigadores crearon una red de protuberancias de 10 micrómetros de ancho separadas por unos 2 milímetros para evitar la formación de películas. Pero esta separación también reduce la concentración de burbujas en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de ebullición. Para compensar esto, el equipo introdujo un tratamiento de superficie a una escala mucho más pequeña, creando pequeñas protuberancias y crestas a nanoescala, que aumentan el área de la superficie y promueven la tasa de evaporación debajo de las burbujas.
En estos experimentos, las cavidades se hicieron en el centro de una serie de pilares en la superficie del material. Estos pilares, combinados con nanoestructuras, favorecen la evacuación de líquido desde la base hacia su parte superior, lo que mejora el proceso de ebullición al proporcionar una mayor superficie expuesta al agua. En combinación, los tres «niveles» de textura superficial (separación de cavidades, pernos y texturizado a nanoescala) brindan una eficiencia mucho mayor para el proceso de ebullición, explica Song.
«Estas microcavidades definen la posición donde aparecen las burbujas», dice. «Pero al separar estas cavidades en 2 milímetros, separamos las burbujas y minimizamos la coalescencia de las burbujas». Al mismo tiempo, las nanoestructuras promueven la evaporación debajo de las burbujas y la acción capilar inducida por los pilares alimenta líquido al fondo de las burbujas. Esto mantiene una capa de agua líquida entre la superficie de ebullición y las burbujas de vapor, lo que mejora el flujo de calor máximo.
Aunque su trabajo confirmó que la combinación de estos tipos de tratamientos superficiales puede funcionar y lograr los efectos deseados, este trabajo se realizó en condiciones de laboratorio a pequeña escala que no podían ampliarse fácilmente a dispositivos prácticos, explica Wang. «Este tipo de estructuras que hacemos no están destinadas a ser ampliadas en su forma actual», dice, sino que se usaron para demostrar que dicho sistema puede funcionar. El próximo paso será encontrar otras formas de crear este tipo de texturas superficiales para que estos métodos puedan extenderse más fácilmente a dimensiones prácticas.
“Mostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para lograr una mejora es un primer paso”, dice. «Entonces, el siguiente paso es pensar en enfoques más escalables». Por ejemplo, aunque los pilares en la superficie de estos experimentos se crearon utilizando métodos de sala limpia comúnmente utilizados para producir chips semiconductores, existen otras formas menos exigentes de crear tales estructuras, como la galvanoplastia. También hay varias formas diferentes de producir texturas de nanoestructuras superficiales, algunas de las cuales pueden ser más fácilmente escalables.
Algunas aplicaciones importantes a pequeña escala podrían usar este proceso en su forma actual, como la gestión térmica de dispositivos electrónicos, un área que se está volviendo cada vez más importante a medida que los dispositivos semiconductores se vuelven más pequeños y la gestión térmica de su producción de calor se vuelve cada vez más importante. «Definitivamente hay un espacio allí donde es realmente importante», dice Wang.
Incluso este tipo de aplicaciones tardará algún tiempo en desarrollarse porque los sistemas de gestión térmica para la electrónica suelen utilizar líquidos distintos del agua, llamados líquidos dieléctricos. Estos líquidos tienen una tensión superficial diferente y otras propiedades que el agua, por lo que las dimensiones de las características de la superficie deben ajustarse en consecuencia. Trabajar en estas diferencias es uno de los próximos pasos en la investigación en curso, dice Wang.
Esta misma técnica de estructuración multiescala también podría aplicarse a diferentes líquidos, dice Song, ajustando las dimensiones para tener en cuenta las diferentes propiedades de los líquidos. “Este tipo de detalles se pueden cambiar, y ese puede ser nuestro próximo paso”, dice.
El equipo también incluía a Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha y Yajing Zhao, todos del MIT. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología, y utilizó las instalaciones de MIT.nano.