Bylo by možné vařit vodu rychleji a efektivněji? Pokud ano, mohlo by to být výhodné pro celou řadu průmyslových procesů, protože by se snížila spotřeba energie. Nejen proto se na tuto otázku zaměřili vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT), kteří se o výsledky svého bádání podělili na oficiálních stránkách.

Vaření vody nebo jiných kapalin je základem celé řady průmyslových procesů v elektrárnách, chemickém a potravinářském průmyslu. Zlepšení účinnosti systémů, jež ohřívají a odpařují vodu, by mohlo výrazně snížit jejich spotřebu energie. Vědci z MIT našli způsob, jak toho dosáhnout pomocí speciální povrchové úpravy materiálů používaných v těchto systémech.

Zvýšená účinnost je výsledkem kombinace tří druhů povrchových úprav provedených v různém měřítku. Získané poznatky experti popsali ve článku v odborném časopise Advanced Materials. Mimo jiné v něm upozorňují, že první zjištění zatím fungují jen v laboratorním měřítku, ale k vývoji praktického procesu v průmyslovém měřítku bude zapotřebí další práce.

Proces varu popisují dva klíčové parametry: součinitel přestupu tepla (heat transfer coefficient; HTC) a kritický tepelný tok (critical heat flux; CHF). Při navrhování materiálů obecně dochází ke kompromisu mezi těmito dvěma parametry, takže cokoli, co zlepší jeden z nich, má tendenci zhoršit druhý.

Pro celkovou účinnost systému jsou však důležité oba parametry. Až nyní, po letech práce, dosáhl tým vědců z MIT způsobu, jak výrazně zlepšit obě vlastnosti současně, a to díky kombinaci tří různých textur aplikovaných na povrch materiálu.

„Oba parametry jsou důležité,“ říká čerstvý absolvent MIT Youngsup Song, „nicméně posilování obou parametrů dohromady je složité, protože se vzájemně vylučují.“ Vysvětluje, že „pokud máme na povrchu varu hodně bublinek, znamená to, že je var velmi účinný, ale pokud máme na povrchu příliš mnoho bublinek, mohou se spojit dohromady, což může vytvořit film páry na povrchu varu.“

Tento film klade odpor při přenosu tepla z horkého povrchu do vody. „Jestliže máme mezi povrchem a vodou páru, brání to účinnosti přenosu tepla a snižuje hodnotu kritického tepelného toku,“ říká Song. Jednotlivé složky nové povrchové úpravy byly sice studovány již dříve, ale tato práce je první, jež ukazuje, že metody lze kombinovat a překonat tak kompromis mezi dvěma konkurenčními parametry.

Pointa spočívá v přidání řady mikrodutin nebo důlků na povrch, čímž lze řídit způsob, jakým se na něm tvoří bubliny. Bubliny se tak udržují v místech důlků a nespojí se do tepelně odolného filmu. V rámci studie vědci vytvořili soustavu 10 mikrometrů širokých důlků vzdálených od sebe asi 2 milimetry.

Toto provedení však také snižuje koncentraci bublinek na povrchu, což může snížit účinnost varu. Aby to vědci kompenzovali, přidali další povrchovou úpravu – v nanometrovém měřítku vytvořili drobné hrbolky a hřebínky, které zvětšují povrch a podporují rychlost odpařování pod bublinkami.

Třetím prvkem jsou nanopilíře, jež podporují odvádění kapaliny od základny ke svým vrcholům. To zlepšuje proces varu tím, že je voda vystavena většímu zahřátému povrchu. Kombinací těchto tří technik povrchové struktury – oddělení bublinek dutinami, sloupky a nanovrstevnaté textury – se výrazně zvyšuje účinnost procesu varu.

Přestože vědecká práce potvrdila, že kombinace těchto druhů povrchových úprav může fungovat a dosáhnout požadovaných účinků, byla provedena jen v laboratorních podmínkách, které není možné snadno rozšířit na praktická zařízení.

„Tyto druhy struktur nejsou v současné podobě určeny ke škálování,“ vysvětluje profesorka Evelyn Wang s tím, že byly použity k prokázání, že takový systém může fungovat. Jedním z dalších kroků bude nalezení alternativních způsobů vytváření těchto druhů povrchových textur, aby bylo možné tyto metody snadněji škálovat do rozměrů použitelných v praxi.

Vědci z MIT vynalezli způsob, jak vařit vodu rychleji a efektivněji. Pomohl k tomu speciální povrch