Veel industriële installaties zijn afhankelijk van condensatie van waterdamp op metalen platen:in elektriciteitscentrales, het resulterende water wordt vervolgens teruggevoerd naar een ketel om opnieuw te worden verdampt; in ontziltingsinstallaties, het levert een voorraad schoon water op. De efficiëntie van dergelijke installaties hangt in grote mate af van hoe gemakkelijk zich waterdruppels kunnen vormen op deze metalen platen, of condensors, en hoe gemakkelijk vallen ze weg, zodat er meer druppeltjes kunnen ontstaan.

De sleutel tot het verbeteren van de efficiëntie van dergelijke installaties is het verhogen van de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de condensors - een maatstaf voor hoe gemakkelijk warmte van die oppervlakken kan worden afgevoerd, legt Nenad Miljkovic uit, een doctoraatsstudent werktuigbouwkunde aan het MIT. Als onderdeel van zijn afstudeeronderzoek, hij en zijn collega's hebben precies dat gedaan:ontwerpen, het maken en testen van een gecoat oppervlak met nanogestructureerde patronen die de warmteoverdrachtscoëfficiënt aanzienlijk verhogen.

De resultaten van dat werk zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , in een paper, mede geschreven door Miljkovic, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Evelyn Wang, en vijf andere onderzoekers van het Device Research Lab (DRL) van de afdeling werktuigbouwkunde van MIT.

Op een typische, vlakke plaat condensator, waterdamp condenseert en vormt een vloeibare film op het oppervlak, waardoor het vermogen van de condensor om meer water op te vangen drastisch wordt verminderd totdat de zwaartekracht de film afvoert. "Het fungeert als een barrière voor warmteoverdracht, " zegt Miljkovic. Hij en andere onderzoekers hebben zich gericht op manieren om water aan te moedigen om in druppeltjes te druppelen die vervolgens van het oppervlak vallen, waardoor een snellere waterafvoer mogelijk is.

"De manier om de thermische barrière te verwijderen, is om [de druppels] zo snel mogelijk te verwijderen, " zegt hij. Veel onderzoekers hebben manieren bestudeerd om dit te doen door hydrofobe oppervlakken te creëren, hetzij door chemische behandeling of door oppervlaktepatronen. Maar Miljkovic en zijn collega's zijn nu een stap verder gegaan door schaalbare oppervlakken te maken met nanoschaalkenmerken die de druppeltjes nauwelijks raken.

Het resultaat:Druppels vallen niet zomaar van het oppervlak, maar spring er echt van weg, het verhogen van de efficiëntie van het proces. De energie die vrijkomt als kleine druppeltjes samensmelten tot grotere, is genoeg om de druppeltjes omhoog te stuwen vanaf het oppervlak, wat betekent dat het verwijderen van druppels niet alleen afhankelijk is van de zwaartekracht.

Andere onderzoekers hebben gewerkt aan oppervlakken met nanopatronen om dergelijke sprongen te induceren, maar deze zijn vaak complex en duur om te vervaardigen, meestal een cleanroom-omgeving vereist. Die benaderingen vereisen ook vlakke oppervlakken, niet de buizen of andere vormen die vaak in condensors worden gebruikt. Eindelijk, eerder onderzoek heeft de voorspelde verbeterde warmteoverdracht voor dit soort oppervlakken niet getest.

In een artikel dat begin 2012 werd gepubliceerd, de MIT-onderzoekers toonden aan dat de vorm van de druppel belangrijk is voor een betere warmteoverdracht. "Nutsvoorzieningen, we zijn een stap verder gegaan, "Miljkovic zegt, "een oppervlak ontwikkelen dat dit soort druppeltjes bevordert, terwijl het zeer schaalbaar en gemakkelijk te produceren is. Verder, we zijn in staat geweest om de verbetering van de warmteoverdracht experimenteel te meten."

Het patroon is klaar, Miljkovic zegt, met behulp van een eenvoudig nat oxidatieproces direct op het oppervlak dat kan worden aangebracht op de koperen buizen en platen die gewoonlijk worden gebruikt in commerciële energiecentrales.

Het nanogestructureerde patroon zelf is gemaakt van koperoxide en vormt zich eigenlijk bovenop de koperen buis. Het proces produceert een oppervlak dat lijkt op een bed van kleine, puntige bladeren steken uit het oppervlak; deze punten op nanoschaal minimaliseren het contact tussen de druppeltjes en het oppervlak, vrijlating gemakkelijker maken.

Niet alleen kunnen de nanogestructureerde patronen worden gemaakt en toegepast onder kamertemperatuur, maar het groeiproces stopt vanzelf. "Het is een zelfbeperkende reactie, "Miljkovic zegt, "of je het nu twee minuten of twee uur in [de behandelingsoplossing] doet."

Nadat het bladachtige patroon is gemaakt, een hydrofobe coating wordt aangebracht wanneer een dampoplossing zich hecht aan het patroonoppervlak zonder de vorm aanzienlijk te veranderen. De experimenten van het team toonden aan dat de efficiëntie van warmteoverdracht met behulp van deze behandelde oppervlakken met 30 procent kon worden verhoogd, vergeleken met de beste hydrofobe condenserende oppervlakken van vandaag.

Dat betekent, Miljkovic zegt, dat het proces zich leent voor het achteraf uitrusten van duizenden energiecentrales die al in bedrijf zijn over de hele wereld. De technologie kan ook nuttig zijn voor andere processen waar warmteoverdracht belangrijk is, zoals in luchtontvochtigers en voor verwarmings- en koelsystemen voor gebouwen, zeggen de auteurs.

Er blijven uitdagingen voor deze aanpak, Miljkovic zegt:Als er te veel druppels worden gevormd, ze kunnen het oppervlak "overstromen", het verminderen van het vermogen tot warmteoverdracht. "We werken aan het vertragen van deze overstroming van het oppervlak en het creëren van robuustere oplossingen die goed kunnen werken [onder] alle bedrijfsomstandigheden, " hij zegt.

Het onderzoeksteam omvatte ook postdocs Ryan Enright en Youngsuk Nam en studenten Ken Lopez, Nicholas Dou en Jean Sack, alle werktuigbouwkundige afdeling van MIT.