Condensors zijn een cruciaal onderdeel van de huidige energieopwekkingssystemen:ongeveer 80 procent van alle krachtcentrales ter wereld gebruikt ze om stoom weer in water om te zetten nadat het uit de turbines komt die generatoren aandrijven. Ze zijn ook een sleutelelement in ontziltingsinstallaties, een snelgroeiende bijdrage aan de wereldvoorraad van zoet water.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe oppervlaktearchitectuur ontworpen door onderzoekers van MIT belooft de prestaties van dergelijke condensors aanzienlijk te verbeteren. Het onderzoek wordt beschreven in een artikel dat zojuist online is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano door MIT-postdoc Sushant Anand; Kripa Varanasi, de Doherty universitair hoofddocent oceaangebruik; en afgestudeerde student Adam Paxson, postdoc Rajeev Dhiman en onderzoeksfiliaal Dave Smith, alle onderzoeksgroep van Varanasi aan het MIT.

De sleutel tot het verbeterde hydrofobe (waterafstotende) oppervlak is een combinatie van microscopische patronen - een oppervlak bedekt met kleine bultjes of paaltjes van slechts 10 micrometer (miljoensten van een meter) breed, ongeveer zo groot als een rode bloedcel - en een laagje smeermiddel, zoals olie. De kleine ruimtes tussen de palen houden de olie op zijn plaats door capillaire werking, vonden de onderzoekers.

Het team ontdekte dat waterdruppels die condenseerden op dit oppervlak 10, 000 keer sneller dan op oppervlakken met alleen de hydrofobe patronen. De snelheid van deze druppelbeweging is de sleutel om de druppeltjes van het oppervlak te laten vallen, zodat nieuwe kunnen worden gevormd, het verhogen van de efficiëntie van warmteoverdracht in een condensor van een krachtcentrale, of de snelheid van de waterproductie in een ontziltingsinstallatie.

Met deze nieuwe behandeling "druppels kunnen over het oppervlak glijden, "Vanasi zegt, zwevend als pucks op een airhockeytafel en eruitziend als zwevende UFO's - een gedrag dat Varanasi naar eigen zeggen nog nooit heeft gezien in meer dan tien jaar werk op hydrofobe oppervlakken. "Dit zijn gewoon gekke snelheden."

De benodigde hoeveelheid smeermiddel is minimaal:het vormt een dunne laag, en wordt stevig op zijn plaats vastgemaakt door de palen. Elk smeermiddel dat verloren gaat, kan eenvoudig worden vervangen vanuit een klein reservoir aan de rand van het oppervlak. Het smeermiddel kan worden ontworpen om zo'n lage dampdruk te hebben dat, Varanasi zegt, "Je kunt het zelfs in een vacuüm stoppen, en het zal niet verdampen."

Een ander voordeel van het nieuwe systeem is dat het niet afhankelijk is van een bepaalde configuratie van de kleine texturen op het oppervlak, zolang ze maar ongeveer de juiste afmetingen hebben. "Het kan gemakkelijk worden vervaardigd, " zegt Varanasi. Nadat het oppervlak is getextureerd, het materiaal kan mechanisch in het smeermiddel worden gedompeld en eruit worden getrokken; het meeste smeermiddel loopt gewoon weg, en "alleen de vloeistof in de holtes wordt vastgehouden door capillaire krachten, " zegt Anand. Omdat de coating zo dun is, hij zegt, er is slechts ongeveer een kwart tot een halve theelepel smeermiddel nodig om een ​​vierkante meter van het materiaal te coaten. Het smeermiddel kan ook het onderliggende metalen oppervlak beschermen tegen corrosie.

Varanasi plant verder onderzoek om precies te kwantificeren hoeveel verbetering mogelijk is door de nieuwe techniek in krachtcentrales te gebruiken. Omdat stoomturbines alomtegenwoordig zijn in de fossiele energiecentrales van de wereld, hij zegt, "zelfs als het 1 procent bespaart, dat is enorm" in zijn potentiële impact op de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

De nieuwe aanpak werkt met een breed scala aan oppervlaktestructuren en smeermiddelen, zeggen de onderzoekers; ze zijn van plan om lopend onderzoek te richten op het vinden van optimale combinaties voor kosten en duurzaamheid. "Er zit veel wetenschap in hoe je deze vloeistoffen en texturen ontwerpt, ' zegt Varanasi.

Daniël Beysens, onderzoeksdirecteur van het Physics and Mechanics of Heterogeneous Media Laboratory van ESPCI in Parijs, zegt het concept achter het gebruik van een smeermiddel dat wordt opgesloten door een oppervlak met nanopatroon, is "eenvoudig en mooi. De druppels zullen kiemen en dan vrij gemakkelijk naar beneden glijden. En het werkt!"

Dat verder onderzoek zal worden ondersteund door een nieuwe techniek die Varanasi heeft ontwikkeld in samenwerking met onderzoekers, waaronder Konrad Rykaczewski, een MIT-onderzoeker die momenteel werkt aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersberg, MD, samen met John Henry Scott en Marlon Walker van NIST en Trevan Landin van FEI Company. Die techniek wordt beschreven in een apart artikel dat ook net is gepubliceerd in ACS Nano .

Voor de eerste keer, deze nieuwe techniek verkrijgt directe, gedetailleerde afbeeldingen van het grensvlak tussen een oppervlak en een vloeistof, zoals druppels die erop condenseren. Normaal gesproken, die interface - de sleutel tot het begrijpen van bevochtigings- en waterafstotende processen - wordt aan het zicht onttrokken door de druppeltjes zelf, Varanasi legt uit, dus de meeste analyses waren gebaseerd op computermodellering. In het nieuwe proces is druppels worden snel op hun plaats bevroren op het oppervlak, in doorsnede gesneden met een ionenbundel, en vervolgens afgebeeld met behulp van een scanning elektronenmicroscoop.

"De methode is gebaseerd op het behoud van de geometrie van de monsters door snel invriezen in vloeibare stikstofbrij bij min 210 graden Celsius [min 346 graden Fahrenheit], "zegt Rykaczewski. "De bevriezingssnelheid is zo snel (ongeveer 20, 000 graden Celsius per seconde) dat water en andere vloeistoffen niet kristalliseren, en hun geometrie blijft behouden."

De techniek kan worden gebruikt om veel verschillende interacties tussen vloeistoffen of gassen en vaste oppervlakken te bestuderen, zegt Varanasi. "Het is een compleet nieuwe techniek. Voor de eerste keer, we kunnen deze details van deze oppervlakken zien."

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.