(Phys.org)—Normaal gesproken wanneer een vloeistof boven het kookpunt wordt verwarmd, het verdampt, in een damp veranderen. Maar toen wetenschappers onlangs een experiment uitvoerden op het International Space Station (ISS), ze zagen dat de damp in de buurt van een warmtepijp condenseerde tot een vloeistof, zelfs als de temperatuur 160 K boven het normale kookpunt van de stof lag. De resultaten laten zien dat microzwaartekracht de processen van verdamping en condensatie aanzienlijk verandert, maar de wetenschappers hebben nog geen volledige verklaring voor het fenomeen.

Het onderzoeksteam, bestaande uit wetenschappers van het Rensselaer Polytechnic Institute en het NASA Glenn Research Center, hebben een paper gepubliceerd over de verrassende observaties in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Dit is niet de eerste keer dat onverwacht gedrag in heatpipes, dat zijn apparaten die worden gebruikt om onderdelen van een ruimtevaartuig te koelen, waargenomen bij microzwaartekracht. anno 2015, veel van dezelfde onderzoekers maakten een verwante, contra-intuïtieve observatie tijdens experimenten op het ISS.

In die tijd, de onderzoekers merkten op dat het verhogen van de warmtetoevoer naar een warmtepijp er niet voor zorgde dat het apparaat bij het verwarmde uiteinde uitdroogde, zoals op aarde, maar in plaats daarvan veroorzaakte het daar vloeistofophoping. Destijds, de processen die verantwoordelijk zijn voor dit fenomeen werden niet volledig begrepen.

In de nieuwe studie de onderzoekers voerden een soortgelijk heatpipe-experiment uit met pentaan en ontdekten dat, naarmate de warmtetoevoer naar het oppervlak toenam, de hoeveelheid condensatie nam toe. Ze observeerden het effect bij temperaturen tot 160 K boven het normale kookpunt van pentaan, het punt waarop het experiment zijn veiligheidslimieten bereikte. In het algemeen, vloeistof boven het kookpunt zou zich in een "oververhitte" toestand bevinden. Hier, de onderzoekers beschrijven het hete uiteinde van de warmtepijp als overstroomd met oververhitte vloeistof.

Hoewel de onderzoekers geen volledige theoretische verklaring hebben voor de oorzaak van dit condensatieverschijnsel, ze weten op basis van eerder onderzoek dat het mede ontstaat door het Marangoni-effect. Dit effect komt voort uit de fysieke kenmerken van de heatpipe. Een heatpipe heeft een verwarmd uiteinde en een gekoeld uiteinde, die een primaire temperatuurgradiënt creëert langs de warm-koude as van de buis. Maar aangezien de vloeistoffilm op het oppervlak van de warmtepijp niet uniform is, de temperatuurgradiënt is driedimensionaal en varieert over het gehele leidingoppervlak.

Deze temperatuurgradiënten, beurtelings, oppervlaktespanningsgradiënten creëren. Dit leidt dan tot het Marangoni-effect, die optreedt wanneer koelere vloeistof, die een hogere oppervlaktespanning heeft dan hetere vloeistof, trekt de hetere vloeistof ernaartoe. Uiteindelijk, het effect produceert door Marangoni aangedreven stromen - één van het verwarmde uiteinde naar het gekoelde uiteinde, en een andere vanaf het midden van de pijp naar de randen. Deze stromen treden zelfs op in de hete "verdampingszone" van de leiding, en ze genereren een instabiliteit in de vloeistoflaag die de condensatie versterkt. De wetenschappers vermoeden ook dat micro- of nanodeeltjes op het leidingoppervlak natuurlijke verstoringen versterken en zo condensatie in die regio's helpen initiëren.

Zoals de wetenschappers uitleggen, de reden dat deze condensatie gemakkelijk waarneembaar is in een microzwaartekrachtomgeving, maar niet op aarde, is dat de sterkere zwaartekracht op aarde de retourstroom van vloeistof van het gekoelde uiteinde naar het verwarmde uiteinde van de warmtepijp beperkt, die sterk vermindert de Marangoni krachten. Hoe dan ook, de wetenschappers merken op dat het condensatieverschijnsel optreedt onder de zwaartekracht van de aarde, hoewel op kleinere schaal, en wordt gemakkelijk verward met oppervlakteverontreiniging.

Algemeen, de wetenschappers leggen uit dat het ongewone vloeistofgedrag om een ​​paar redenen wetenschappelijk interessant is.

"Er zijn twee fundamenteel interessante aspecten aan de studie, " vertelde co-auteur Joel Plawsky van het Rensselaer Polytechnic Institute: Phys.org . "De eerste is het optredende gedrag dat voortkomt uit het hebben van een gesloten systeem. Noch het overstromingsfenomeen dat we in 2015 zagen, noch het condensatieverschijnsel dat we hier zagen, werden waargenomen in meer open systemen waar er alleen verdamping of alleen condensatie plaatsvond. In dit systeem, aangezien de gecondenseerde vloeistof en de verdampende vloeistof in constante communicatie met elkaar staan, meer ongewoon vloeibaar gedrag ontstaat.

"Het tweede interessante aspect is hoe belangrijk grensvlak- en vooral intermoleculaire krachten kunnen zijn, ook al werken ze op lengteschalen die vele orden van grootte kleiner zijn dan de schaal van de warmtepijp. In dit geval, de herstellende intermoleculaire krachten helpen de condensatie plaatselijk van brandstof te voorzien, en dat vertaalt zich in grote veranderingen in filmdikte die wereldwijd kunnen worden waargenomen. Opnieuw, dit gebeurt alleen als alle lengteschalen informatie met elkaar kunnen uitwisselen zoals in een gesloten, warmtepijpsysteem."

Behalve dat het van fundamenteel belang is, de resultaten kunnen wetenschappers helpen de beperkingen van warmtepijpen als koelapparaten voor ruimtevaartuigen te begrijpen, en begeleiden het ontwerp van verbeterde versies. Ondertussen, de onderzoekers zijn van plan om het gedrag van vloeistoffen in microzwaartekracht verder te onderzoeken door middel van aangepaste experimenten.

"We, en een aantal anderen, hebben aangetoond dat het toevoegen van een tweede chemische component aan het systeem enkele van de nadelige eigenschappen die worden waargenomen tijdens gebruik met een zuivere vloeistof teniet kan doen, " zei Plawsky. "We zullen experimenten proberen, vergelijkbaar met degene die we al hebben uitgevoerd, met vloeibare mengsels. In dergelijke gevallen, Marangoni benadrukt, gedreven door temperatuurgradiënten, kan worden gecompenseerd door tegengestelde spanningen aangedreven door samenstellingsgradiënten. Echter, aangezien men nu een andere vrijheidsgraad heeft toegevoegd door de tweede component toe te voegen, aanvullend, onverwachte verschijnselen kunnen optreden."

Hij voegde eraan toe dat als het ISS zou worden uitgerust met een snelle beeldopnamecapaciteit, het zou de onderzoekers in staat stellen om de exacte aard van de instabiliteit te onderzoeken en hoe de instabiliteit verandert in frequentie en amplitude als de warmte-invoer in het apparaat wordt gewijzigd.

"Er is sprake van het ontwikkelen van een warmtepijpfaciliteit op het internationale ruimtestation, "Hij zei. "Als dat zou kunnen worden gebouwd, zou het heel interessant zijn om alternatieve geometrieën te kunnen onderzoeken, zoals capillaire pomplussen, driehoekige dwarsdoorsnedepijpen, of meerpotige oscillerende heatpipes en kijk of er grootschalige onverwachte verschijnselen ontstaan. Al deze experimenten zouden worden gedaan met transparante systemen. Ook al zal een transparant systeem niet zo efficiënt werken als een metalen systeem, het biedt het voordeel dat je kunt zien waar de vloeistof en damp zich bevinden en de vloeistofdynamiek die zich binnenin voordoet beter kan begrijpen."

© 2017 Fys.org