Onderzoekers van MIT hebben hun ontdekking dat waterdruppels een elektrische lading krijgen wanneer ze van bepaalde condensoroppervlakken springen, opgevolgd door een manier te vinden om van dat effect gebruik te maken:ze ontdekten dat door een elektrisch veld op het systeem aan te leggen, de druppeltjes "springen" sneller weg van het oppervlak. Op deze manier, de efficiëntie van de warmteoverdracht van dat oppervlak kan bijna worden verdubbeld.

Het werk wordt gerapporteerd in het tijdschrift ACS Nano door MIT-postdoc Nenad Miljkovic, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Evelyn Wang, afgestudeerde student Daniel Preston, en voormalig postdoc Ryan Enright.

De bevinding kan een aantal toepassingen hebben, Miljkovic suggereert, onder meer ter voorkoming van ijsvorming op condensorbatterijen van koelkasten en verbeterde koeling van hoogwaardige computerchips.

Miljkovic en zijn medewerkers hadden oorspronkelijk ontdekt, eerder dit jaar, dat een bepaald soort nanopatroon van condensoroppervlakken - waardoor een superhydrofoob oppervlak ontstaat - ervoor kan zorgen dat paren druppeltjes van die oppervlakken springen vanwege de energie die vrijkomt wanneer ze samenvloeien. Dat fenomeen alleen zou een verbetering van 30 procent kunnen opleveren in de efficiëntie van warmteoverdracht van condensoroppervlakken, ze vonden. Vervolgens, in een toevallige ontdekking, ze merkten dat deze druppeltjes spontaan een positieve elektrische lading kregen terwijl ze wegsprongen.

Gebruikmakend van die ontdekking, de onderzoekers hebben nu ontdekt dat het aarden van het condensoroppervlak en het toepassen van een negatieve spanning op een draadgaasbuis eromheen, springende druppels weg van het oppervlak en in de richting van het gaas trekt - waardoor een terugduw naar het oppervlak door de druk van de omringende waterdamp wordt voorkomen. Dat fenomeen is "een van de knelpunten" bij het verbeteren van de efficiëntie van warmteoverdracht, zegt Miljkovic.

Door dat dampmeeslepen, hij zegt, "niet alle druppeltjes springen weg en ontsnappen aan het oppervlak:sommige gaan terug, en dat kan de prestaties verminderen." De terugkeer van de druppeltjes kan ervoor zorgen dat water zich ophoopt op het oppervlak, en warmteoverdracht verminderen en leiden tot ijsvorming in vriesomstandigheden. Maar het aangelegde elektrische veld kan deze problemen sterk verminderen, zegt Miljkovic.

Samen, het patroonoppervlak en het aangelegde elektrische veld kunnen leiden tot bijna een verdubbeling van de warmteoverdrachtsefficiëntie ten opzichte van de beste condensoroppervlakken van vandaag, zegt Miljkovic. Hij noemt het nieuwe proces 'elektrisch-veld-versterkte condensatie'.

Dit effect zou kunnen leiden tot een afname van de energie en het onderhoud die nodig zijn om commerciële koelunits te laten draaien, zoals die worden gebruikt door supermarkten, hij zegt, door ijsvorming op de condensorbatterijen te voorkomen. Sommige bedrijven die dergelijke apparatuur produceren, hebben al interesse getoond in de technologie, zegt Miljkovic.

Het systeem zou ook de efficiëntie van geavanceerde op condensatie gebaseerde koelsystemen kunnen verbeteren, zoals de dampkamers en warmtepijpen die worden gebruikt in sommige geavanceerde microprocessorchips, waar een opeenhoping van water op het condensatieoppervlak de warmteoverdracht verstoort.

Miljkovic suggereert dat het eenvoudig aanbrengen van een positieve lading op de nanostructuur onder de hydrofobe coating op het superhydrofobe oppervlak, het verwijderen van de negatief geladen mesh, en het elektrisch aarden van de condensorbehuizing zou hetzelfde effect kunnen hebben door druppels af te weren. Dit zou een eenvoudiger systeem kunnen opleveren, en een die gemakkelijker zou zijn toe te voegen aan bestaande condensorontwerpen.

Hoewel de laboratoriumtests die voor dit onderzoek werden gebruikt schaalbare, nanogestructureerde koperen buizen en mesh, Miljkovic benadrukt dat de effecten onafhankelijk zijn van de gebruikte materialen:goedkopere aluminium buizen met de juiste nanostructurering zullen ook werken.

Naast het verbeteren van de warmteoverdracht, het proces kan ook worden gebruikt om de prestaties van zelfreinigende oppervlakken op basis van springende druppels te verbeteren, Miljkovic zegt:Als druppeltjes wegkaatsen van een oppervlak, eventuele stof- of vuildeeltjes op dat oppervlak worden vaak meegesleurd. Hoe grondiger de druppeltjes worden verwijderd, hoe schoner het oppervlak.

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.