Het complexe netwerk van aderen dat ons koel houdt tijdens de hitte van de zomer heeft ingenieurs geïnspireerd om nieuwe thermische beheersystemen te creëren. Maar het repliceren van de bloedsomloop, in vorm of functie, geen gemakkelijke taak geweest. Onlangs, een team van onderzoekers van Drexel University en North Carolina State University heeft een computerplatform gecreëerd dat de sleutel zou kunnen zijn om het evolutionair geoptimaliseerde koelsysteem van het lichaam na te bootsen. Microvasculatuur

In een studie gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor warmte- en massaoverdracht , Ahmed Najafi, doctoraat, een professor in Drexel's College of Engineering, en zijn faculteitsmedewerker, JasonPatrick, doctoraat, van de North Carolina State University, rapporteren over hoe een door hen ontwikkelde computertechniek snel ontwerpen kan produceren voor 3D-printen van koolstofvezelcomposietmaterialen met een intern vaatstelsel dat is geoptimaliseerd voor actieve koeling.

"Als je het warm krijgt, het lichaam stuurt een signaal naar de bloedsomloop om meer bloed naar de oppervlakte van de huid te pompen - daarom worden we soms rood in het gezicht", zei Najafi. "Dit is een natuurlijke methode om warmte af te voeren die zo goed werkt, wetenschappers en ingenieurs proberen al jaren na te bootsen in mechanische koelsystemen, zoals degenen die ervoor zorgen dat auto's en computers niet oververhit raken."

Het nieuwste artikel van Najafi en Patrick beschrijft een geïntegreerd platform voor het ontwerpen en maken van bio-geïnspireerde microvasculaire composieten die precies dat kunnen.

In minuten, hun computerprogramma, bedacht HyTopS, wat een afkorting is voor hybride topologie / vormoptimalisatie, kan een schema maken voor een vasculair netwerk met de ideale vorm, grootte en verdeling van microvaten om een ​​materiaal actief te koelen via vloeistofcirculatie - een truc die Moeder Natuur meer dan een paar evolutionaire cycli kostte om te perfectioneren.

Microvasculaire vezelcomposieten worden momenteel ontwikkeld om alles te koelen, van elektrische voertuigen tot vliegtuigen van de volgende generatie, waar steeds hogere prestaties de warmte verhogen die ze genereren.

"Deze moderne materialen kunnen een revolutie teweegbrengen in alles, van hypersonische ruimtevoertuigen tot batterijverpakkingen in elektrische auto's en zelfs supercomputerkoelsystemen. Naarmate dingen sneller gaan, en de energie-output en rekenkracht blijven toenemen, een enorme hoeveelheid warmte wordt gegenereerd die nieuwe benaderingen van koeling vereist, Patrick zei. "Geïnspireerd door de bloedsomloop in levende organismen, interne microvasculatuur biedt een effectief middel voor thermische regulatie in synthetische materialen."

Deze tak van bio-geïnspireerd onderzoek bestaat pas een decennium of zo, maar de resultaten die het heeft opgeleverd zijn al veelbelovend, volgens Najafi/Patrick die hun academische loopbaan begonnen aan de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois, waarbij ze microvasculaire materialen ontwikkelden voor zelfgenezing, actieve koeling en meer.

Een deel van hun recente onderzoeksinspanning is het vervangen van meer traditionele metalen systemen die warmte overdragen via water of lucht. Hoewel het een betrouwbare oplossing was, iedereen die een raamunit met airconditioning heeft gedragen, zal zeker begrijpen waarom een ​​ander koelsysteem een ​​verbetering zou zijn voor elk voertuig of onderdeel dat probeert om gewicht te besparen.

"Microvasculaire composieten bieden veel voordelen ten opzichte van bestaande vloeistof- en luchtkoelingssystemen, in de eerste plaats, ze zijn veel lichter met vergelijkbare sterkte, maar ze zijn ook erg duurzaam - wat belangrijk is als je kijkt naar het wijdverbreide effect van corrosie op metalen onderdelen, " Najafi verdrietig. "En als je deze naast andere factoren overweegt, het is gemakkelijk te begrijpen waarom ze worden gezocht in de ruimtevaart, automobiel- en energiesector."

Om hun optimalisatiemethode op de proef te stellen, de onderzoekers ontwierpen en bouwden een microvasculaire koolstofvezelcomposiet met behulp van 3D-printen en testten de koelcapaciteiten tegen een referentieontwerp uit eerdere studies. Na verhitting van de koolstofcomposieten tot een maximale temperatuur, vloeibare koelvloeistof (vergelijkbaar met die in uw auto) werd door elk vaatnetwerk gepompt om het koelproces te starten.

Het voor HyTopS geoptimaliseerde koolstofcomposiet was niet alleen koeler, maar uniformer qua oppervlaktetemperatuurverdeling, en kon sneller afkoelen dan het referentieontwerp.

Naast superieure prestaties van het geoptimaliseerde materiaal, het voordeel van de HyTopS-methode is dat deze automatisch de impact van veranderingen in de diameter en opstelling van de kanalen berekent, maar ook hoe ze met elkaar verbonden zijn. Het houdt rekening met de materiaalsamenstelling en de algehele geometrie van het systeem dat wordt gekoeld en de bijbehorende warmteoverdrachtseigenschappen. En het houdt rekening met parameters die verband houden met het productieproces, dus het uiteindelijke ontwerp is een realistisch microvasculair materiaal dat kan worden gemaakt door 3D-printen of andere toegankelijke fabricagebenaderingen.

"Het is bijna onmogelijk om de volledige complexiteit van natuurlijke microvasculaire, maar ons programma zorgt voor veel optimalisatie-input en houdt rekening met productieparameters om ervoor te zorgen dat het ontwerp daadwerkelijk kan worden geconstrueerd, ' zei Najafi.

Het samenwerkingsteam is van plan de HyTopS-methode te gebruiken om andere intrigerende en interdisciplinaire aspecten van microvasculaire composieten te onderzoeken, inclusief structurele mechanica en elektromagnetisme.