Smurt, nanoteksturerede overflader forbedrer ydeevnen af ​​kondensatorer i kraft- og afsaltningsanlæg, forskningsfund

Kondensatorer er en afgørende del af nutidens elproduktionssystemer:Omkring 80 procent af alle verdens kraftværker bruger dem til at vende damp tilbage til vand, efter at den kommer ud af turbinerne, der tænder generatorer. De er også et nøgleelement i afsaltningsanlæg, en hurtigt voksende bidragyder til verdens forsyning af ferskvand.

Nu, en ny overfladearkitektur designet af forskere ved MIT har løftet om at øge ydeevnen af ​​sådanne kondensatorer markant. Forskningen er beskrevet i en artikel, der netop er offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano af MIT postdoc Sushant Anand; Kripa Varanasi, Doherty-lektor i havudnyttelse; og kandidatstuderende Adam Paxson, postdoc Rajeev Dhiman og forskningspartner Dave Smith, hele Varanasis forskningsgruppe ved MIT.

Nøglen til den forbedrede hydrofobe (vandafgivende) overflade er en kombination af mikroskopisk mønster-en overflade dækket af små bump eller stolper på bare 10 mikrometer (milliontedele af en meter) på tværs, omtrent på størrelse med en rød blodlegeme - og en belægning af et smøremiddel, såsom olie. De små mellemrum mellem stolperne holder olien på plads gennem kapillærvirkning, fandt forskerne.

Holdet opdagede, at vanddråber, der kondenserede på denne overflade, bevægede sig 10, 000 gange hurtigere end på overflader med blot det hydrofobe mønster. Hastigheden af ​​denne dråbebevægelse er nøglen til at lade dråberne falde fra overfladen, så nye kan dannes, øge effektiviteten af ​​varmeoverførsel i en kraftværkskondensator, eller hastigheden af ​​vandproduktion i et afsaltningsanlæg.

Med denne nye behandling, "dråber kan glide på overfladen, " Varanasi siger, svævende som pucke på et airhockeybord og lignede svævende UFO'er – en adfærd, som Varanasi siger, han aldrig har set i mere end ti års arbejde på hydrofobe overflader. "Det er bare skøre hastigheder."

Mængden af ​​smøremiddel, der kræves, er minimal:Det danner en tynd belægning, og er sikkert låst på plads af stolperne. Ethvert smøremiddel, der går tabt, udskiftes nemt fra et lille reservoir ved kanten af ​​overfladen. Smøremidlet kan designes til at have så lavt damptryk, at Varanasi siger, "Du kan endda sætte det i et vakuum, og det vil ikke fordampe."

En anden fordel ved det nye system er, at det ikke afhænger af nogen bestemt konfiguration af de bittesmå teksturer på overfladen, så længe de har omtrent de rigtige dimensioner. "Det kan let fremstilles, "Siger Varanasi. Efter at overfladen er struktureret, materialet kan dyppes mekanisk i smøremidlet og trækkes ud; det meste af smøremidlet løber simpelthen ud, og "kun væsken i hulrummene holdes inde af kapillærkræfter, " siger Anand. Fordi belægningen er så tynd, han siger, det tager kun omkring en kvart til en halv teskefuld smøremiddel at belægge en firkantet yard af materialet. Smøremidlet kan også beskytte den underliggende metaloverflade mod korrosion.

Varanasi planlægger yderligere forskning for at kvantificere præcist, hvor meget forbedring der er mulig ved at bruge den nye teknik i kraftværker. Fordi dampdrevne turbiner er allestedsnærværende i verdens fossile brændselskraftværker, han siger, "selvom det sparer 1 procent, det er enorm" i dets potentielle indvirkning på de globale udledninger af drivhusgasser.

Den nye tilgang arbejder med en bred vifte af overfladeteksturer og smøremidler, siger forskerne; de planlægger at fokusere løbende forskning på at finde optimale kombinationer for omkostninger og holdbarhed. "Der er meget videnskab i, hvordan du designer disse væsker og teksturer, " siger Varanasi.

Daniel Beysens, forskningsleder for Physics and Mechanics of Heterogeneous Media Laboratory ved ESPCI i Paris, siger konceptet bag at bruge en smørevæske fanget af en nanomønstret overflade, er "simpelt og smukt. Dråberne vil kerne og derefter glide ned ganske let. Og det virker!"

Denne yderligere forskning vil blive hjulpet af en ny teknik, Varanasi har udviklet i samarbejde med forskere, herunder Konrad Rykaczewski, en MIT-forsker i øjeblikket baseret på National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersberg, Md., sammen med John Henry Scott og Marlon Walker fra NIST og Trevan Landin fra FEI Company. Denne teknik er beskrevet i et separat papir, der også netop er offentliggjort i ACS Nano .

For første gang, denne nye teknik opnår direkte, detaljerede billeder af grænsefladen mellem en overflade og en væske, såsom dråber, der kondenserer på den. Normalt, denne grænseflade - nøglen til at forstå befugtnings- og vandafledningsprocesser - er skjult af dråberne selv, Varanasi forklarer, så de fleste analyser har været afhængige af computermodellering. I den nye proces, dråber frosses hurtigt på plads på overfladen, skåret i tværsnit med en ionstråle, og derefter afbildet ved hjælp af et scanningselektronmikroskop.

"Metoden er afhængig af at bevare geometrien af ​​prøverne gennem hurtig frysning i flydende nitrogen slush ved minus 210 grader Celsius [minus 346 grader Fahrenheit], " siger Rykaczewski. "Frysehastigheden er så høj (ca. 20, 000 grader Celsius pr. sekund), at vand og andre væsker ikke krystalliserer, og deres geometri bevares. "

Teknikken kan bruges til at studere mange forskellige interaktioner mellem væsker eller gasser og faste overflader, Varanasi siger. "Det er en helt ny teknik. For første gang, vi er i stand til at se disse detaljer af disse overflader."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.