فیزیک حباب: مطالعه جوش در MIT برای ارتقاء ایمنی راکتورهای هسته‌ای و پیشرانش فضایی
پژوهشگران در MIT قدرت پنهان جوش را با بررسی نقش آن در انرژی، سرمایش و بیشتر کشف کرده‌اند که نوید پیشرفت‌های بزرگ در کارایی و ایمنی را می‌دهد.
ماتئو بوچی، استادیار در MIT، تأکید می‌کند که فهم فیزیک جوش می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در کارایی انرژی، خنک‌سازی الکترونیک، آب‌شیرین‌سازی، تشخیص‌های پزشکی و فراتر از این‌ها شود.
آزمایشگاه بوچی تکنیک‌های نوآورانه‌ای را برای کشف پدیده‌های جوش و انتقال حرارت که دهه‌ها مانع از پیشرفت‌های انرژی شده‌اند ایجاد کرده‌اند.
بوچی در بیانیه‌ای گفت: «جوش برای کاربردهایی فراتر از هسته‌ای مهم است. جوش در 80 درصد از نیروگاه‌هایی که برق تولید می‌کنند، استفاده می‌شود. تحقیقات من برای پیشرانش فضایی، ذخیره انرژی، الکترونیک و خنک‌سازی کامپیوترها اهمیت دارد.»
پیشرفت در انتقال حرارت
با اینکه جوش آب به نظر ساده می‌آید، فهم فیزیک آن ده سال طول کشیده و پر از دشواری‌ها و کشفیات بوده است. این پدیده به نظر ساده زیر بسیاری از فرآیندهای صنعتی مهم قرار دارد، اما در سیستم‌های پیچیده‌ای همچون راکتورهای هسته‌ای به‌طور مشخص دشوار برای بررسی است.
برای بررسی پدیده‌های جوش و انتقال حرارتی با توجه به توسعه‌های انرژی طولانی‌مدت، آزمایشگاه تحقیقاتی بوچی روش‌های تجربی جدیدی ایجاد کرده است. یکی از اولویت‌های اصلی رسیدگی به بحران جوش - وضعیتی که در آن حباب‌های به سرعت گسترش‌یابنده یک لایه بخار ایجاد می‌کنند که مانع انتقال حرارت می‌شود - است.
در این تحقیق، آن‌ها یک معیار متحد برای بحران جوش شناسایی کردند که توضیح می‌دهد چگونه حباب‌ها نزدیک سطوح تعامل می‌کنند. این معیار، بر اساس سه عامل کلیدی - تراکم سایت‌های ایجاد حباب، اندازه متوسط حباب و حاصل‌ضرب زمان رشد متوسط حباب و فرکانس جدایش - به پیش‌بینی زمانی که جوش ناکارآمد می‌شود کمک می‌کند.
آزمایش‌ها کاربردپذیری آن را در انواع مختلف سطوح، شرایط جوش و مایعاتی مانند آب و نیتروژن مایع تأیید می‌کنند. فهم این معیار در طراحی سطوحی که عملکرد جوش را بهبود می‌بخشند و از بحران جوش جلوگیری می‌کنند، کمک می‌کند.
بر اساس نظر پژوهشگران، این پیشرفت‌ها امکان جمع‌آوری سریع داده‌های تجربی گسترده را فراهم کرده و منجر به توسعه مدلی ساده برای بحران جوش شده است.
بوچی در بیانیه‌ای گفت: «اثربخشی فرآیند جوش بر سطح پوشش راکتورهای هسته‌ای کارایی و ایمنی راکتور را تعیین می‌کند. این مانند یک خودرو است که می‌خواهید سرعتش را افزایش دهید، اما یک محدودیت بالا وجود دارد.»
او اضافه کرد: «برای یک راکتور هسته‌ای، آن محدودیت بالا توسط انتقال حرارت جوش تعیین می‌شود، بنابراین ما به دنبال فهمیدن آن محدودیت بالا هستیم و چگونه می‌توانیم آن را برای بهبود عملکرد راکتور ارزیابی کنیم.
هوش مصنوعی به نوآوری قدرت می‌بخشد
سرد کردن با غوطه‌وری دو فازی، که در آن گرما از اجزاء سرور یک مایع را به جوش می‌آورد و بخار روی یک مبدل حرارتی متراکم می‌شود تا یک سیکل خنک‌سازی منفعل را حفظ کند، نیز یک موضوع تحقیق بزرگ است.
این روش با کاهش هدررفت انرژی، انتشار کربن مراکز داده و مصرف برق، که اکنون به میزان بخش هوانوردی رسیده است، را کاهش می‌دهد. مراکز داده ممکن است تا سال 2040 بیش از 10 درصد از انتشار جهانی را contributes کنند؛ بنابراین، پیشرفت در این زمینه ضروری است.
برای پیشبرد علم حرارتی، هوش مصنوعی نیز درج شده است. پتانسیل آن توسط یک پروژه تحقیقاتی چند دانشگاهی اخیر که به یادگیری ماشینی در این زمینه اختصاص دارد، نشان داده شده است.
پلتفرم‌های جدید متمرکز بر هوش مصنوعی در حال تأسیس هستند تا همکاری بین دانشمندان کامپیوتر و دانشمندان حرارتی را دست یاری دهند، و نوآوری را سریعاً ممکن سازند.
بر اساس نظر پژوهشگران، هوش مصنوعی نیز در پردازش داده‌های تجربی گسترده از تکنیک‌های تشخیصی پیشرفته و مدل‌سازی پدیده‌های پیچیده که هنوز چالشی برای مطالعه مستقیم باقی مانده‌اند، به کار برده می‌شود و مرزهای تحقیقات علم حرارتی را گسترش می‌دهد.
بوچی گفت: «ممکن است هوش مصنوعی به ما فرصتی بدهد تا فهم بهتر چیزهایی که نمی‌توان مشاهده‌شان کرد، یا حداقل ما را در تاریکی هدایت کند هنگامی که سعی داریم دلائل بسیاری از مشکلات را پیدا کنیم.
جزئیات پژوهش تیم در سال 2023 در Nature منتشر شد.
