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  • Imitar a AC circulatória do corpo pode manter os aviões, carros e computadores mais frios

    Usando seu programa de otimização de topologia / forma híbrida - HyTopS - os pesquisadores da Drexel University podem projetar materiais de resfriamento, que se inspiram no sistema circulatório do corpo, otimizado para qualquer superfície ou função. (Retratado aqui os pesquisadores Ahmad Najafi, Ph.D .; e Reza Pejman, da Drexel University.) Crédito:Drexel University

    A complexa rede de veias que nos mantém frescos durante o calor do verão inspirou engenheiros a criar novos sistemas de gerenciamento térmico. Mas replicando o sistema circulatório, em forma ou função, não foi uma tarefa fácil. Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Drexel University e da North Carolina State University criou uma plataforma computacional que pode ser a chave para simular o sistema de resfriamento otimizado evolucionário do corpo. Microvasculatura

    Em um estudo publicado no Jornal Internacional de Transferência de Calor e Massa , Ahmad Najafi, Ph.D., professor da Faculdade de Engenharia de Drexel, e seu colaborador do corpo docente, Jason Patrick, Ph.D., da North Carolina State University, relatam como uma técnica computacional desenvolvida por eles pode produzir rapidamente designs para impressão 3-D de materiais compostos de fibra de carbono com uma vasculatura interna otimizada para resfriamento ativo.

    "Quando você fica quente, o corpo envia um sinal ao sistema circulatório para bombear mais sangue para a superfície da pele - é por isso que às vezes ficamos com o rosto vermelho ", disse Najafi." Este é um método natural para dissipar calor que funciona tão bem, cientistas e engenheiros vêm tentando há anos replicar em sistemas de resfriamento mecânicos, como os que evitam o superaquecimento de carros e computadores. "

    O artigo mais recente de Najafi e Patrick descreve uma plataforma integrada para projetar e criar compostos microvasculares bioinspirados que podem fazer exatamente isso.

    Em minutos, seu programa de computador, cunhado HyTopS, que é a abreviação de topologia híbrida / otimização de forma, pode produzir um esquema para uma rede vascular com a forma ideal, tamanho e distribuição de micro-vasos para resfriar ativamente um material via circulação de líquido - um truque que levou a Mãe Natureza mais do que alguns ciclos evolutivos para ser perfeito.

    Compósitos de fibra microvascular estão sendo desenvolvidos para resfriar tudo, de veículos elétricos a aeronaves de próxima geração, onde o desempenho cada vez mais alto está aumentando o calor que eles geram.

    "Esses materiais modernos podem revolucionar tudo, desde veículos espaciais hipersônicos a embalagens de baterias em carros elétricos e até sistemas de resfriamento de supercomputadores. e a produção de energia e o poder de computação continuam a aumentar, uma enorme quantidade de calor é gerada, o que requer novas abordagens de resfriamento, "Disse Patrick." Inspirado nos sistemas circulatórios dos organismos vivos, a micro-vasculatura interna fornece um meio eficaz de regulação térmica em materiais sintéticos. "

    Pesquisadores da Drexel University criaram um programa que otimiza a configuração microvascular de materiais que podem ser usados ​​para resfriar a tecnologia que esquenta - como computadores e automóveis. Crédito:Drexel University

    Este ramo da pesquisa baseada na bioinspiração existe há apenas uma década ou mais, mas os resultados que gerou já são bastante promissores, de acordo com Najafi / Patrick, que iniciou suas carreiras acadêmicas na Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolvendo materiais microvasculares para autocura, resfriamento ativo e além.

    Parte de seu impulso de pesquisa recente é substituir os sistemas metálicos mais tradicionais que transferem calor por meio da água ou do ar. Embora seja uma solução confiável, qualquer pessoa que carregou uma unidade de janela de ar condicionado certamente entenderá por que um sistema de refrigeração diferente seria uma melhoria para qualquer veículo ou componente que esteja tentando reduzir o peso.

    "Os compostos microvasculares oferecem muitas vantagens sobre os sistemas existentes de refrigeração líquida e de ar, principalmente, eles são muito mais leves com resistência comparável, mas também são muito duráveis ​​- o que é importante se você considerar o efeito generalizado da corrosão nos componentes metálicos, "Najafi triste." E se você considerar esses, entre outros fatores, é fácil ver por que eles estão sendo procurados na indústria aeroespacial, setores automotivo e de energia. "

    Para colocar seu método de otimização em teste, os pesquisadores projetaram e construíram um composto microvascular de fibra de carbono usando impressão 3-D e testaram sua capacidade de resfriamento em comparação com um projeto de referência de estudos anteriores. Depois de aquecer os compostos de carbono a uma temperatura máxima, refrigerante líquido (semelhante ao do seu carro) foi bombeado através de cada rede vascular para iniciar o processo de resfriamento.

    O composto de carbono otimizado HyTopS não era apenas mais frio, mas mais uniforme em termos de distribuição de temperatura superficial, e foi capaz de esfriar mais rápido do que o design de referência.

    Além do desempenho superior do material otimizado, a vantagem do método HyTopS é que ele calcula automaticamente o impacto das mudanças no diâmetro e arranjo dos canais, e também como eles estão conectados uns aos outros. Ele leva em consideração a composição do material e a geometria geral do sistema que está sendo resfriado e as características de transferência de calor correspondentes. E leva em consideração os parâmetros relacionados ao processo de fabricação, portanto, o design final é um material microvascular realista que pode ser feito por impressão 3-D ou outras abordagens de fabricação acessíveis.

    "É quase impossível reproduzir toda a complexidade do microvascular natural, mas nosso programa permite uma grande quantidade de entrada de otimização e considera os parâmetros de fabricação para garantir que o projeto possa realmente ser construído, "Najafi disse.

    A equipe colaborativa pretende usar o método HyTopS para explorar outros aspectos intrigantes e interdisciplinares dos compósitos microvasculares, incluindo mecânica estrutural e eletromagnética.


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