Каждый день люди кипятят тонны воды, чтобы заварить чашечку чая, обеззаразить продукты питания или произвести электроэнергию при помощи паровой турбины. Это чрезвычайно энергозатратный процесс, и его совершенствование позволило бы значительно сократить затраты энергетических ресурсов как на бытовом, так и на промышленном уровне. Команда исследователей из Массачусетского технологического института разработала методику, которая помогает сделать кипячение воды более эффективным и экономичным.

В рамках совместного исследования выпускник МТИ Ёнсоп Сон, профессор инженерии Эвелин Ван и их коллеги из МТИ разработали трёхуровневый комплекс модификаций поверхности, который может повысить энергоэффективность кипячения. Данный процесс можно описать при помощи двух ключевых параметров: коэффициент теплоотдачи (heat transfer coefficient / HTC) и критический тепловой поток (critical heat flux / CHF). При разработке новых материалов и технологий, задействованных в бытовом и промышленном оборудовании, как правило, инженерам приходится находить компромисс между этими параметрами. Зачастую модификации, направленные на улучшение одного из этих параметров, негативно воздействуют на второй. К примеру, большое количество пузырьков с паром в месте контакта воды с нагревательным элементом свидетельствует о высоком значении параметра HTC, однако, если пузырьков слишком много, они могут слиться в паровую плёнку, которая понижает значение CHF. Чтобы сделать кипячение максимально эффективным, необходимо добиться одновременного улучшения обоих параметров.

Сон посвятил свою докторскую диссертацию исследованию поверхностных (межфазных) явлений. После защиты диссертации он сосредоточился на разработке и изучении характеристик микромасштабных модификаций поверхностей, способных сделать кипячение воды более энергоэффективным. Различные поверхностные реорганизации материалов и ранее становились объектами исследования, однако Сон и его коллеги из МТИ впервые пришли к их комбинации. Цель этих модификаций заключается в контроле над ходом формирования пузырьков для предотвращения их слияния и образования теплостойкой паровой плёнки. Первый уровень модификации материала нагревателя представляет собой комплекс микрометровых углублений, расположенных в толще нагревающейся поверхности на расстоянии примерно 2 миллиметров друг от друга. С их помощью учёные смогли предотвратить слияние пузырьков с паром в одно целое и ассоциированное с этим явлением понижение параметра CHF.

Впрочем, сама по себе такая модификация уменьшает концентрацию пузырьков на поверхности, что выливается в понижение коэффициента теплоотдачи. Исследователи компенсировали этот недостаток, усеяв углубления многочисленными нанометровыми бугорками и рёбрышками. С их помощью учёные увеличили площадь контактной поверхности нагревателя, тем самым повысив значение параметра HTC. В ходе экспериментов инженеры также ввели третий уровень модификаций. Они создали поверхность нагревателя, покрытую кластерами труб и столбцов. Упомянутые ранее углубления разместились в центре труб. Наличие вертикальных структур, покрытых нанометровыми выступами, позволило запустить стабильную подачу жидкости от дна нагревателя к углублениям. Таким образом, между поверхностью нагревателя и пузырьками с паром сохраняется слой жидкой воды, что также способствует максимизации критического теплового потока.

Эксперименты Сона и его коллег показали, что структурированные комбинации модификаций поверхности нагревателя способны сделать кипячение более эффективным и экономичным. Им удалось добиться почти четырёхкратного повышения значения параметра HTC, а также почти в полтора раза увеличить CHF. Однако для применения этих разработок на промышленном уровне необходимо найти способ масштабирования модификаций. К примеру, для формирования массива трубок и столбцов исследователи использовали мелкомасштабные методы, которые возможно реализовать только в стерильных помещениях (аналогичные методы используют для производства полупроводниковых чипов). В будущем учёные планируют экспериментировать с менее трудоёмкими и требовательными к производственным условиям методами вроде электроосаждения. Кроме того, необходимо протестировать различные способы формирования наномасштабных структур. И наконец, профессор Ван и её коллеги не планируют ограничивать область применения разработанных ими модификаций бытовыми и промышленными процессами, в которых задействовано кипячения воды. Они также рассчитывают адаптировать технологию к работе с другими жидкостями.