Efterligning af kroppens cirkulerende AC kunne beholde fly, biler og computere køligere

Det komplekse netværk af vener, der holder os kølige under sommervarmen, har inspireret ingeniører til at oprette nye termiske styringssystemer. Men replikerer kredsløbssystemet, i form eller funktion, har ikke været nogen let opgave. For nylig, et team af forskere fra Drexel University og North Carolina State University har skabt en beregningsplatform, der kunne være nøglen til at efterligne kroppens evolutionært optimerede kølesystem. Mikrovaskulatur

I en undersøgelse offentliggjort i International Journal of Heat and Mass Transfer , Ahmad Najafi, Ph.d., professor i Drexel's College of Engineering, og hans fakultetssamarbejder, Jason Patrick, Ph.d., fra North Carolina State University, rapportere om, hvordan en beregningsteknik, de udviklede, hurtigt kan producere designs til 3D-print af kulfiberkompositmaterialer med en intern vaskulatur optimeret til aktiv afkøling.

"Når du bliver varm, kroppen sender et signal til kredsløbssystemet om at pumpe mere blod til overfladen af ​​huden - det er derfor, vi nogle gange bliver røde i ansigtet, "sagde Najafi." Dette er en naturlig metode til at sprede varme, der fungerer så godt, forskere og ingeniører har i årevis forsøgt at replikere i mekaniske kølesystemer, ligesom dem, der forhindrer biler og computere i at blive overophedet. "

Najafi og Patricks seneste papir beskriver en integreret platform til at designe og skabe bioinspirerede mikrovaskulære kompositter, der kan gøre netop det.

På få minutter, deres computerprogram, opfundet HyTopS, som er forkortelse for hybrid topologi/formoptimering, kan producere en skematisk for et vaskulært netværk med den ideelle form, størrelse og fordeling af mikro-kar for aktivt at afkøle et materiale via væskecirkulation-et trick, der tog Moder Natur mere end et par evolutionære cyklusser til at blive perfektioneret.

Mikrovaskulære fiberkompositter udvikles i øjeblikket til at afkøle alt fra elektriske køretøjer til næste generations fly, hvor stadig højere ydelse skruer op for den varme, de genererer.

"Disse moderne materialer kunne revolutionere alt fra hypersoniske rumkøretøjer til batteriemballage i elbiler og endda supercomputerkølesystemer. Når tingene bevæger sig hurtigere, og energiproduktionen og computerkraften fortsætter med at stige, der genereres en enorm mængde varme, der kræver nye tilgange til køling, "Sagde Patrick." Inspireret af kredsløbssystemer i levende organismer, intern mikrovaskulatur giver et effektivt middel til termisk regulering i syntetiske materialer. "

Denne gren af ​​bioinspireret forskning har kun eksisteret i et årti eller deromkring, men de resultater, det har genereret, er allerede ret lovende, ifølge Najafi/Patrick, der startede deres akademiske karriere ved University of Illinois Urbana-Champaign med at udvikle mikrovaskulære materialer til selvhelbredelse, aktiv køling og videre.

En del af deres nylige forskningsindsats er at erstatte mere traditionelle metalliske systemer, der overfører varme via vand eller luft. Selvom det har været en pålidelig løsning, enhver, der har båret en klimaanlægsvindue, vil helt sikkert forstå, hvorfor et andet kølesystem ville være en forbedring for ethvert køretøj eller en komponent, der forsøger at reducere vægten.

"Mikrovaskulære kompositter tilbyder mange fordele i forhold til eksisterende væske- og luftkølesystemer, primært, de er meget lettere med sammenlignelig styrke, men de er også meget holdbare - hvilket er vigtigt, hvis du overvejer den udbredte virkning af korrosion på metalliske komponenter, "Najafi trist." Og hvis du overvejer disse blandt andre faktorer, det er let at se, hvorfor de søges i luftfart, bil- og energisektoren. "

For at teste deres optimeringsmetode, forskerne designede og byggede en mikrovaskulær kulfiberkomposit ved hjælp af 3-D-print og testede dets kølekapacitet mod et referencedesign fra tidligere undersøgelser. Efter opvarmning af carbon-kompositterne til en maksimal temperatur, flydende kølevæske (svarende til den i din bil) blev pumpet gennem hvert vaskulært netværk for at starte køleprocessen.

Den HyTopS-optimerede kulstofkomposit var ikke kun køligere, men mere ensartet med hensyn til fordelingen af ​​overfladetemperatur, og var i stand til at køle ned hurtigere end referencedesignet.

Udover den optimerede materiales overlegne ydeevne, Fordelen ved HyTopS -metoden er, at den automatisk beregner virkningen af ​​ændringer i kanalernes diameter og placering, samt hvordan de er forbundet med hinanden. Det tager hensyn til materialets sammensætning og generelle geometri for det system, der afkøles, og de tilsvarende varmeoverførselsegenskaber. Og det faktorer i parametre relateret til fremstillingsprocessen, så det endelige design er et realistisk mikrovaskulært materiale, der kan laves ved 3D-print eller andre tilgængelige fremstillingsmetoder.

"Det er næsten umuligt at gengive hele kompleksiteten af ​​naturlige mikrovaskulære, men vores program giver mulighed for en masse optimeringsinput og overvejer fremstillingsparametre for at sikre, at designet rent faktisk kan konstrueres, "Sagde Najafi.

Samarbejdsteamet agter at bruge HyTopS -metoden til at udforske andre spændende og tværfaglige aspekter af mikrovaskulære kompositter, herunder strukturel mekanik og elektromagnetik.