De condensatie van water is cruciaal voor de werking van de meeste krachtcentrales die onze elektriciteit leveren - of ze nu worden aangedreven door steenkool, aardgas of nucleaire brandstof. Het is ook de sleutel tot het produceren van drinkwater uit zout of brak water. Maar er zijn nog steeds grote hiaten in het wetenschappelijke begrip van hoe water precies condenseert op de oppervlakken die worden gebruikt om stoom weer in water om te zetten in een krachtcentrale. of om water te condenseren in een op verdamping gebaseerde ontziltingsinstallatie.

Nieuw onderzoek door een team van MIT biedt belangrijke nieuwe inzichten in hoe deze druppeltjes ontstaan, en manieren om de verzameloppervlakken op nanoschaal te modelleren om druppeltjes sneller te laten vormen. Deze inzichten kunnen een nieuwe generatie van aanzienlijk efficiëntere krachtcentrales en ontziltingsinstallaties mogelijk maken, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe resultaten zijn deze maand online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , een publicatie van de American Chemical Society, in een paper van MIT-student werktuigbouwkunde Nenad Miljkovic, postdoc Ryan Enright en universitair hoofddocent Evelyn Wang.

Hoewel de analyse van condensatiemechanismen een oud veld is, Miljkovic zegt, het is de afgelopen jaren opnieuw opgedoken met de opkomst van micro- en nanopatroontechnologieën die condenserende oppervlakken in een ongekende mate vormgeven. De belangrijkste eigenschap van oppervlakken die het druppelvormende gedrag beïnvloedt, staat bekend als "bevochtigbaarheid, ” die bepaalt of druppels hoog op een oppervlak staan ​​zoals waterdruppels op een hete bakplaat, of spreid snel uit om een ​​dunne film te vormen.

Het is een vraag die de sleutel is tot de werking van krachtcentrales, waar water wordt gekookt met fossiele brandstof of de hitte van kernsplijting; de resulterende stoom drijft een turbine aan die aan een dynamo is bevestigd, elektriciteit produceren. Na het verlaten van de turbine, de stoom moet afkoelen en weer condenseren tot vloeibaar water, zodat het kan terugkeren naar de ketel en het proces opnieuw kan beginnen. (Dat is wat er gebeurt in de gigantische koeltorens die te zien zijn bij krachtcentrales.)

Typisch, op een condenserend oppervlak, druppels worden geleidelijk groter terwijl ze door oppervlaktespanning aan het materiaal hechten. Zodra ze zo groot worden dat de zwaartekracht de oppervlaktespanning overwint die ze op hun plaats houdt, ze regenen neer in een container eronder. Maar het blijkt dat er manieren zijn om ze van het oppervlak te laten vallen - en zelfs om van het oppervlak te "springen" - op veel kleinere maten, lang voordat de zwaartekracht het overneemt. Dat verkleint de grootte van de verwijderde druppeltjes en maakt de resulterende warmteoverdracht veel efficiënter, zegt Miljkovic.

Een mechanisme is een oppervlaktepatroon dat aangrenzende druppeltjes aanmoedigt om samen te smelten. Terwijl ze dat doen, er komt energie vrij, die "een terugslag van het oppervlak veroorzaakt, en druppeltjes zullen er echt vanaf springen, ', zegt Miljkovic. Dat mechanisme is al eerder waargenomen, hij merkt op, maar het nieuwe werk “voegt een nieuw hoofdstuk toe aan het verhaal. Weinig onderzoekers hebben de groei van de druppeltjes voorafgaand aan het springen in detail bekeken.”

Dat is belangrijk, want zelfs als het springeffect ervoor zorgt dat druppels het oppervlak sneller verlaten dan anders, als hun groei achterblijft, je zou zelfs de efficiëntie kunnen verminderen. Met andere woorden, het is niet alleen de grootte van de druppel wanneer deze wordt vrijgegeven die ertoe doet, maar ook hoe snel het tot die grootte groeit.

“Dit is niet eerder vastgesteld, ', zegt Miljkovic. En in veel gevallen het team vond, “je denkt dat je een verbeterde warmteoverdracht krijgt, maar je krijgt eigenlijk een slechtere warmteoverdracht.

In eerder onderzoek is “warmteoverdracht is niet expliciet gemeten, "zegt hij, omdat het moeilijk te meten is en het gebied van condensatie met oppervlaktepatronen nog vrij jong is. Door metingen van druppelgroeisnelheden en warmteoverdracht op te nemen in hun computermodellen, het MIT-team was in staat om verschillende benaderingen van de oppervlaktepatronen te vergelijken en die te vinden die daadwerkelijk de meest efficiënte overdracht van warmte opleverden.

Eén benadering was om een ​​woud van kleine pilaren op het oppervlak te creëren:druppels hebben de neiging om bovenop de pilaren te zitten terwijl ze alleen het oppervlak plaatselijk nat maken in plaats van het hele oppervlak nat te maken, het contactgebied minimaliseren en gemakkelijker loslaten mogelijk maken. Maar de exacte maten, spatiëring, breedte-tot-hoogteverhoudingen en de ruwheid van de pilaren op nanoschaal kunnen een groot verschil maken in hoe goed ze werken, het team gevonden.

"We hebben aangetoond dat onze oppervlakken de warmteoverdracht tot 71 procent verbeterden [vergeleken met vlakke, niet-bevochtigende oppervlakken die momenteel alleen worden gebruikt in hoogrenderende condensorsystemen] als u ze goed op maat maakt, ', zegt Miljkovic. Met meer werk om variaties in oppervlaktepatronen te verkennen, het moet mogelijk zijn om nog verder te verbeteren, hij zegt.

De verbeterde efficiëntie zou ook de snelheid van de waterproductie kunnen verbeteren in fabrieken die drinkwater produceren uit zeewater, of zelfs in voorgestelde nieuwe zonne-energiesystemen die afhankelijk zijn van het maximaliseren van het oppervlak van de verdamper (zonnecollector) en het minimaliseren van het oppervlak van de condensor (warmtewisselaar) om de algehele efficiëntie van het verzamelen van zonne-energie te vergroten. Een soortgelijk systeem zou de warmteafvoer in computerchips kunnen verbeteren, die vaak gebaseerd is op interne verdamping en hercondensatie van een warmteoverdrachtsvloeistof via een apparaat dat een warmtepijp wordt genoemd.

Chuan-Hua Chen, een assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University die niet bij dit werk betrokken was, zegt, "Het is intrigerend om het naast elkaar bestaan ​​van zowel bol- als ballonvormige condensdruppels op dezelfde structuur te zien. Er is heel weinig bekend over de schalen die worden opgelost door de omgevingselektronenmicroscoop die in dit artikel wordt gebruikt. Dergelijke bevindingen zullen waarschijnlijk van invloed zijn op toekomstig onderzoek naar anti-dauwmaterialen en … condensors.”

De volgende stap in het onderzoek, nu aan de gang, is om de bevindingen van de druppelexperimenten en computermodellering uit te breiden - en om nog efficiëntere configuraties en manieren te vinden om ze snel en goedkoop op industriële schaal te vervaardigen, zegt Miljkovic.

Dit werk werd ondersteund als onderdeel van het MIT S3TEC Center, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.