نغلي الماء لإنجاز أمور كثيرة، إذ نستخدم الماء المغلي لتحضير الشاي وفي محطات توليد الكهرباء. من ثم فإن أي تحسين لهذه العملية سيكون له أثر كبير في توفير الطاقة.
من تلك التحسينات تقنية جديدة لمعالجة الأسطح المرتبطة بتسخين الماء وتبخيره. يركز المشروع على تحسين معيارين أساسيين لعملية الغلي: معيار (نقل الحرارة HTC)، و(معيار تدفق الحرارة الأعظمي CHF).
غالبًا توجد علاقة عكسية بين المعيارين، حين ترتفع قيمة الأول، تقل قيمة الثاني. بعد سنوات من الدراسة، استطاع فريق الباحثين زيادة فعالية المعيارين.
يشرح عالم المعلوماتية الحيوية يونغسب سونغ من مختبر لورنس بيركلي في كاليفورنيا: «كلا المعيارين مهم، لكن تحسين أدائهما معًا أمر مدهش، نظرًا إلى وجود علاقة عكسية بينهما».
«إن ظهر الكثير من الفقاعات في أثناء عملية الغليان، فهذا يعني أن العملية تسير على ما يرام، لكن إذا زاد عدد الفقاعات كثيرًا، يؤدي ذلك إلى اندماجها، فتتشكل طبقة من البخار فوق سطح الغليان».
تسبب هذه الطبقة بين السطح الساخن والماء زيادة المقاومة، فتنخفض قيمة المعيارين، لتجنب هذه المشكلة، وجد الباحثون عدة حلول لتعديل سطح الغليان:
أولًا، إضافة مجموعة من الأنابيب الدقيقة. مصفوفة عريضة مكونة من 10 أنابيب دقيقة، يفصل بين كل منها مسافة مليمترين، تتحكم في تشكل الفقاعات والتصاقها بتجاويف السطح. ما يمنع تشكل طبقة البخار.
لكن في الوقت ذاته، يقل تركز الفقاعات على السطح، ما يُقلل من فعالية الغليان. لمعالجة ذلك، قدم العلماء حلًا ثانيًا لتعديل الأسطح، يقوم على وضع تعديلات أدق من المصفوفة السابقة، مثل وضع حواجز وحدبات ضمن سطح الأنابيب المجوفة. ما يزيد مساحة السطح المتوفرة للغليان، ويرفع معدلات التبخر.
أخيرًا، توضع هذه الأسطح المجوفة الصغيرة في المنتصف بين الأعمدة العديدة الموجودة على سطح المادة. تُسرع هذه الأعمدة من عملية سحب السوائل، بزيادة مساحة السطح. تؤدي التعديلات السابقة مجتمعةً إلى زيادة فعالية التدفق الحراري.
نرى في هذه الصورة المأخوذة من فيديو إعداد الباحثين للتجربة، أن الماء يتبخر من منطقة على السطح، مُعدلة لتُسبب تشكُل الفقاعات في نقاط محددة مختلفة.
يُمكن الحفاظ على طبقة من الماء بين منطقة الغليان والفقاعات، ما يُحسن تدفق الحرارة الأعظمي، بواسطة البنى النانوية التي تزيد التبخر تحت الفقاعات، والأعمدة التي تزيد تدفق السوائل تجاه قاعدة الفقاعات.
يقول مهندس الميكانيكا إيفلين وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: «القدرة على التحكم في خصائص السطح لتحسين عملية الغليان هي الخطوة الأولى. الخطوة التالية هي ابتكار طرق تسمح بتطبيق هذا الاكتشاف على نطاق أوسع. فهذه البنى التي صنعناها لا تصلح إلا للتجارب البسيطة».
إن اعتماد نتائج البحث وتحويلها من تجربة مخبرية إلى منتج يمكن استخدامه على نطاق صناعي ليس بالأمر السهل، لكن ثقة الباحثين في إمكانية تحقيق ذلك كبيرة.
تظهر إحدى المشكلات في البحث عن طرق لتصنيع مواد السطح اللازمة مع مراعاة بناء الطبقات المختلفة المُستخدمة في تعديل الأسطح. لحسن الحظ، يوجد العديد من الأساليب التي يمكن اتباعها، واعتمادها على أنواع مختلفة من السوائل.
اقرأ أيضًا:
هل تذكرون الكرات التي أفرغت في بحيرة لتحميها من التبخر؟ لقد حلّت مشكلة التبخر لكنها خلقت مشكلة أخرى
ترجمة: طاهر قوجة
تدقيق: دوري شديد
