Кипящая жидкость в условиях микрогравитации ведет себя очень странно

Фото из открытых источников

В самых темных глубинах космоса электроника и топливо могут сильно нагреваться – очень сильно. По мере разработки планов более длительных миссий и более совершенных технологических систем, одной из ключевых областей, которую ученые хотят лучше понять, является то, что происходит со сверххолодными криогенными жидкостями при их закипании.

Эти жидкости используются, например, в качестве ракетного топлива и для охлаждения электроники, но на данный момент мы недостаточно знаем об их поведении при кипении в условиях микрогравитации.

Новое исследование, посвященное именно этому вопросу и проведенное в серии экспериментов в воздухе, выявило некоторые неожиданные результаты. Результаты опубликованы в журнале npj Microgravity.

Известно, что кипящие жидкости ведут себя странно в космосе; ученые уже наблюдали это раньше. При меньшей гравитации конвекция не так эффективно передает тепло через жидкости. Кроме того, пузырьки не так легко отрываются от поверхностей; они менее плавучи, поэтому не всплывают, как на Земле.

Таким образом, вполне логично предположить, что низкая гравитация также снизит охлаждающую способность этих космических пузырей, поскольку они не могут отводить тепло так быстро.

Однако исследователи обнаружили обратное: пониженная гравитация улучшила отвод тепла при определенных условиях.

Так продолжалось до тех пор, пока не был превышен температурный порог, и кипение не стало нестабильным.

«Мы обнаружили, что до определенного момента кипячение становилось даже более эффективным, что противоречило нашим ожиданиям», — говорит ведущий автор исследования Янгсуп Сонг из Университета Флориды. «Проблема в том, что предел безопасности резко снижается. При проектировании реального оборудования важны обе половины».

В качестве безопасной и надежной замены всем криогенным жидкостям здесь использовался жидкий азот, а эксперименты проводились во время параболических полетов, имитирующих невесомость.

Исследователи сравнили данные этих экспериментов с аналогичными тестами, проведенными в лаборатории на твердой поверхности под действием обычной силы тяжести.

«Поскольку в условиях пониженной гравитации мы теряем плавучесть, мы ожидали, что кипение станет менее эффективным в целом», — говорит Сонг.

Но они обнаружили не это. Пузырьки начали образовываться раньше, а теплопередача улучшилась в условиях, близких к невесомости. Исследователи считают, что это происходит потому, что в условиях микрогравитации пузырьки прилипают ближе к нагретой поверхности, что повышает эффективность отвода тепла.

«Наша гипотеза заключается в том, что пузырьки перестают всплывать и остаются на поверхности», — говорит Сонг. «Когда на поверхности образуются пузырьки, между пузырьком и нагревателем образуется небольшой жидкий зазор, и этот слой жидкости настолько тонкий, что может улучшить теплопередачу».

Хотя это звучит многообещающе, в условиях имитируемого космического пространства системы охлаждения быстрее достигали своего предела.

В условиях микрогравитации максимальное количество тепла, которое мог выдержать жидкий азот в качестве хладагента, снизилось на 65 процентов по сравнению с результатами лабораторных испытаний.

По сути, оставшиеся пузырьки начинают соединяться друг с другом, быстрее высушивая поверхность и вызывая разрушение механизма охлаждения. Пониженная гравитация является преимуществом для теплопередачи, пока это преимущество не перестанет быть таковым.

Здесь следует учитывать некоторые ограничения: тестировался только азот, и при этом на коротких параболических полетах.

Однако собранные данные будут полезны для будущего моделирования, поскольку исследователи будут разрабатывать оборудование для более эффективных и безопасных космических путешествий.

Важно отметить, что в своих экспериментах Сонг и его коллеги использовали в качестве нагревательной поверхности кремниевую пластину, покрытую диоксидом кремния, отполированную до состояния, практически свободного от микроскопических дефектов и полостей.

В предыдущих экспериментах использовались стандартные металлические поверхности с мельчайшими дефектами, влияющими на образование пузырьков, что приводило к противоречивым результатам и не позволяло изолировать влияние гравитации.

Таким образом, данное исследование подчеркивает важность проектирования поверхности материалов при разработке систем охлаждения топлива и электроники.

Например, что касается топлива, то чем дальше мы хотим исследовать космос за пределами Земли, тем дольше топливо должно оставаться ниже точки кипения – в этом может помочь конструкция поверхности.

«Мы хотим модифицировать поверхности, чтобы выяснить, можно ли отсрочить закипание в накопительном резервуаре», — говорит Сонг. «Это означает настройку поверхностных характеристик, таких как структура и химический состав, для подавления кипения».