Кипящая жидкость в условиях почти нулевой гравитации делает то, чего даже ученые не ожидали

В глубоких, темных глубинах космоса электроника и топливо все еще могут нагреваться – очень сильно.

Поскольку разрабатываются планы по более длительным миссиям и более совершенным технологическим системам, одна из ключевых областей, которую ученые хотят лучше понять, — это то, что происходит с ультрахолодными криогенными жидкостями при кипении.

Эти жидкости используются, например, в качестве ракетного топлива и для охлаждения электроники, но на данный момент мы недостаточно знаем об их поведении при кипении в микрогравитация.

Новое исследование, изучающее именно это в серии воздушных экспериментов, дало удивительные результаты. Результаты опубликованы в журнале npj Microgravity.

Мы знаем, что кипящие жидкости ведут себя в космосе странно; мы видели, как это происходило раньше.

При меньшей гравитации конвекция не так легко передает тепло через жидкости. И пузырьки не так легко отделяются от поверхностей; они менее плавучие, поэтому не всплывают, как на Земле.

Таким образом, можно разумно предположить, что низкая гравитация также уменьшит охлаждающую способность этих космических пузырей, поскольку они не могут так быстро отводить тепло.

Но исследователи обнаружили обратное: снижение гравитации улучшило отвод тепла при определенных условиях.

То есть до тех пор, пока не будет превышен порог нагрева и кипение станет нестабильным.

«Мы обнаружили, что до определенного момента кипячение действительно становилось более эффективным, что было противоположностью тому, что мы ожидали», — говорит инженер-механик и старший автор Янгсап Сонг из Университета Флориды.

«Загвоздка в том, что предел безопасности резко падает. Обе половины имеют значение, если вы проектируете настоящее оборудование».

Жидкий азот использовался как безопасный и надежный здесь заменяют все криогенные жидкости, и эксперименты проводились на параболических полетах, имитирующих невесомость.

frameborder=»0″allow=»акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share» Referrerpolicy=»strict-origin-when-cross-origin»allowfullscreen>

Исследователи сравнили данные этих экспериментов с аналогичными тестами, проведенными в лаборатории на твердой земле при нормальном гравитационном притяжении.

«Поскольку мы теряем плавучесть при пониженной гравитации, мы ожидали, что кипение станет менее эффективным во всех случаях», — говорит Сонг.

Но это не то, что они обнаружили. Пузырьки начали формироваться раньше, и передача тепла улучшилась в условиях, близких к невесомости.

Исследователи полагают, что это происходит потому, что в условиях микрогравитации пузырьки прилипают ближе к нагретой поверхности, что повышает эффективность отвода тепла.

«Наша гипотеза состоит в том, что пузырьки перестают уплывать, поэтому они задерживаются на поверхности», — говорит Сонг. пузырек и нагреватель, а слой жидкости настолько тонкий, что может улучшить теплопередачу».

Хотя это звучит полезно, системы охлаждения быстрее достигли своего предела в моделируемых космических условиях.

Максимальное количество тепла, которое может выдержать жидкий азотный хладагент, упало на 65 процентов в условиях микрогравитации по сравнению с лабораторными тестами.

По сути, затянувшиеся пузырьки начинают связываться Вместе они быстрее высушивают поверхность и вызывают разрушение механизма охлаждения. Снижение гравитации является преимуществом для теплопередачи, вплоть до тех пор, пока это не так.

Здесь следует учитывать ограничения: тестировался только азот, и притом на коротких параболических полетах.

Однако собранные данные будут полезны для будущего моделирования, поскольку исследователи разрабатывают оборудование для более эффективных и безопасных космических путешествий.

Что особенно важно, в своих экспериментах Сонг и его коллеги использовали кремниевую пластину. с диоксидом кремния в качестве поверхности нагрева, отполированной так, чтобы практически не было микроскопических дефектов и полостей.

Прошлые эксперименты основывались на стандартных металлических поверхностях, которые имеют крошечные дефекты, которые влияют на образование пузырьков, что приводит к противоречивым результатам, которые не могут изолировать эффекты гравитации.

Таким образом, исследование подчеркивает важность дизайна поверхности материала при разработке систем охлаждения топлива и электроники.

По теме: Новое дикое исследование предполагает, что гравитация может. Существовать без массы

Что касается топлива, то чем дальше мы хотим исследовать пределы Земли, тем дольше топливо должно оставаться ниже точки кипения – в этом может помочь дизайн поверхности.

«Мы хотим спроектировать поверхности, чтобы посмотреть, сможем ли мы задержать кипение в резервуаре для хранения», — говорит Сонг.

«Это означает [настройку] свойств поверхности, таких как структура и химический состав, для подавления кипения».

Исследование было опубликовано в npj. Микрогравитация.