Kropla powinna gwałtownie powstać i jeszcze szybciej zniknąć. Naukowcy znaleźli sposób, by oba te procesy pogodzić na jednej powierzchni.
Pewnie się tego nie spodziewasz, ale zaparowana szyba i zimna puszka wyjęta z lodówki mają dużo wspólnego z elektrownią, odsalaniem wody i chłodzeniem elektroniki. Wszędzie zachodzi kondensacja, a sposób, w jaki para zamienia się w krople, może decydować o tym, jak sprawnie odprowadzamy ciepło. Naukowcy z KAIST nauczyli się sterować tym procesem dzięki powłoki cieńszej tysiące razy od ludzkiego włosa.
Problemem jest woda, która nie chce zejść z drogi
Skraplanie z pozoru brzmi jak banalny proces, prawda? Para trafia na chłodniejszą powierzchnię, oddaje energię i zmienia się w ciecz. W przemysłowym wymienniku ciepła każdy szczegół tego procesu ma jednak kolosalne znaczenie. Na zwykłej metalowej powierzchni małe krople gwałtownie łączą się ze sobą, aż powstaje ciągła warstwa wody. I to właśnie ona zaczyna przeszkadzać.
Woda przewodzi ciepło znacznie gorzej niż miedź. Taki film działa więc trochę jak dodatkowa warstwa ubrania: energia musi przedostać się przez niego, zanim dotrze do metalowej powierzchni. Lepszym rozwiązaniem jest tzw. kondensacja kroplowa. Woda zbiera się w pojedyncze krople, które rosną, łączą się i gwałtownie zsuwają z powierzchni. Odsłaniają wtedy świeży fragment materiału i cały cykl może rozpocząć się od nowa. Tyle iż od lat istnieje jeden problem. Powierzchnia dobra w tworzeniu dużej liczby kropli zwykle również dobrze je przytrzymuje.
Zespół z KAIST pokrył miedziane powierzchnie fluorowanym polimerem pPFDMA. Warstwa była absurdalnie cienka. Testowano powłoki mające nominalnie 25, 100 i 500 nm. Ważne okazało się to, co działo się przy najmniejszych grubościach. W materiale powstawały gęsto rozmieszczone półkrystaliczne agregaty. W normalnym procesie produkcyjnym podobne nierówności można byłoby potraktować jak defekt, który należy wygładzić. Tutaj stały się jednak zaletą.
Pomiędzy maleńkimi strukturami powstawały zagłębienia, w których cząsteczkom wody łatwiej było rozpocząć tworzenie kropli. Cienkie powłoki dawały dzięki temu około 3 razy większą gęstość zarodkowania, niż warstwa o grubości 500 nm. Innymi słowy, na tej samej powierzchni niemal jednocześnie zaczynało tworzyć się znacznie więcej kropelek. Problemem było jednak to, iż te same nierówności, które pomagały kroplom się narodzić, utrudniały im później odejście.
Potem wsadzili powłokę do pieca
Naukowcy rozwiązali konflikt drugim, bardzo prostym etapem. Gotową powierzchnię podgrzewano przez godzinę do 80 st. C. Obróbka cieplna zmieniała uporządkowanie polimeru i kurczyła część nanostruktur. Powierzchnia stawała się gładsza, ale nie traciła miejsc sprzyjających powstawaniu nowych kropli. Efekt był dokładnie taki, jakiego potrzebowano.
Na warstwach o grubości 25 i 100 nm krople odrywały się przy mniejszych rozmiarach. Po wygrzaniu ich średnica przy opuszczaniu powierzchni zmniejszyła się odpowiednio o około 31 i 33 proc. Jednocześnie częstotliwość zamiatania powierzchni przez spływające krople rosła. To bardzo ważne. Duża kropla siedząca długo na miedzi zachowuje się jak izolator. Mała, która gwałtownie spada, odsłania metal i natychmiast robi miejsce kolejnej porcji pary. Powstaje więc cykl: kropla gwałtownie się rodzi, rośnie, spada, a na jej miejscu niemal natychmiast pojawia się następna.
Naukowcy nie zatrzymali się jednak na płaskich próbkach oglądanych pod mikroskopem. Pokryli polimerem miedziane rury, czyli geometrię znacznie bliższą prawdziwym przemysłowym skraplaczom, i umieścili je w komorze z czystą parą wodną. Zwykła miedziana rura, na której woda tworzyła ciągły film, osiągała współczynnik wymiany ciepła około 16-17 kW/m²K. Najlepsze cienkie i wygrzane powłoki dochodziły do 75-88 kW/m²K. Stąd bierze się wynik mówiący o 4,5 – 5,5-krotnie lepszym transferze ciepła.
Powłoka nie rozpadła się po kilku godzinach
W takich badaniach łatwo pokazać dobry wynik w krótkim teście. Znacznie trudniej jednak sprawdzić, czy powłoka zachowa swoje adekwatności przez dłuższy czas. Badacze wykonali więc również dłuższy test.
Powłoki o grubości 25 i 100 nm utrzymywały stabilną kondensację kroplową przez co najmniej 4 tygodnie w środowisku czystej pary i pod próżnią. Referencyjna powłoka oparta na klasycznej modyfikacji hydrofobowej zaczynała natomiast przechodzić w mniej wydajną kondensację filmową. 4 tygodnie to przez cały czas zdecydowanie za mało, aby obiecywać wieloletnią pracę w elektrowni. Ciekawszy z praktycznego punktu widzenia może być wariant 100 nm. Działał podobnie do powłoki 25 nm, ale większa grubość daje większy margines na przyszłą odporność mechaniczną i ewentualną degradację.
Sam sposób nanoszenia również został wybrany nieprzypadkowo. iCVD, czyli inicjowane chemiczne osadzanie z fazy gazowej, pozwala tworzyć wyjątkowo równomierne warstwy również na powierzchniach o skomplikowanych kształtach.
Elektrownie mogłyby wyciągnąć z tego bardzo dużo
Kondensacja jest jednym z niewidocznych fundamentów współczesnej energetyki. W elektrowni wykorzystującej obieg parowy para po wykonaniu pracy w turbinie musi zostać ponownie skroplona. Im sprawniej uda się odebrać jej ciepło, tym lepiej może działać cały cykl.
Autorzy przypominają, iż około 70 proc. światowej energii elektrycznej przez cały czas powstaje w układach wykorzystujących obieg parowy. Z wcześniejszych analiz wynika, iż samo upowszechnienie bardzo efektywnej kondensacji kroplowej mogłoby podnieść sprawność takich elektrowni o około 2 proc. To nie wygląda imponująco, dopóki nie zastosujemy go do ogromnej części światowej produkcji prądu.
Podobny mechanizm wykorzystują instalacje odsalające wodę i systemy jej pozyskiwania z powietrza. A na drugim końcu skali mamy elektronikę. Na Spider’s Web pisaliśmy niedawno, iż Samsung bada aktywne chłodzenie cieczą dla telefonów. Rosnąca moc procesorów sprawia, iż coraz większym ograniczeniem przestaje być samo wykonywanie obliczeń, a staje się nim pozbywanie się produkowanego przy okazji ciepła. Powstają choćby tworzywa sztuczne projektowane specjalnie po to, żeby przewodziły ciepło lepiej od stali.
Nowa powłoka KAIST atakuje dokładnie tę samą barierę, tylko od zupełnie innej strony. Nie próbuje stworzyć kolejnego superprzewodzącego materiału. Sprawia po prostu, iż woda, która ma zabrać ciepło, zachowuje się dokładnie tak, jak tego chcą inżynierowie.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
