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É raro um pré-adolescente se apaixonar pela termodinâmica, mas aqueles consumidos por tal paixão podem se considerar sortudos por acabar em um lugar como o MIT. Madhumitha Ravichandran certamente tem. Um Ph.D. estudante em Ciência e Engenharia Nuclear (NSE), Ravichandran encontrou pela primeira vez as leis da termodinâmica como um estudante do ensino médio em Chennai, Índia. "Eles fizeram todo o sentido para mim, "ela diz." Enquanto olhava para a geladeira em casa, Eu me perguntei se algum dia poderia construir sistemas de energia que utilizassem esses mesmos princípios. Foi assim que começou, e mantive esse interesse desde então. "
Ela agora está se valendo de seu conhecimento de termodinâmica em pesquisas realizadas no laboratório do Professor Assistente NSE Matteo Bucci, seu orientador de doutorado. Ravichandran e Bucci estão obtendo insights importantes sobre a "crise da ebulição" - um problema que há muito oprime a indústria de energia.
Ravichandran estava bem preparada para este trabalho quando chegou ao MIT em 2017. Como estudante de graduação na Universidade Sastra da Índia, ela fez pesquisas sobre "fluxos de duas fases, "examinando as transições pelas quais a água passa entre suas formas líquida e gasosa. Ela continuou a estudar a evaporação de gotículas e fenômenos relacionados durante um estágio no início de 2017 no Laboratório Bucci. Essa foi uma experiência reveladora, Ravichandran explica. "De volta à minha universidade na Índia, apenas 2 a 3 por cento dos estudantes de engenharia mecânica eram mulheres, e não havia mulheres no corpo docente. Foi a primeira vez que enfrentei desigualdades sociais por causa do meu gênero, e eu passei por algumas lutas, para dizer o mínimo."
O MIT ofereceu um contraste bem-vindo. "A quantidade de liberdade que tive me deixou extremamente feliz, "diz ela." Sempre fui incentivada a explorar minhas ideias, e sempre me senti incluída. "Ela estava duplamente feliz porque, no meio do estágio, ela soube que havia sido aceita no programa de pós-graduação do MIT.
Como um Ph.D. aluna, sua pesquisa seguiu um caminho semelhante. Ela continua a estudar ebulição e transferência de calor, mas Bucci deu a este trabalho alguma urgência adicional. Eles agora estão investigando a crise de ebulição mencionada, que afeta reatores nucleares e outros tipos de usinas de energia que dependem da geração de vapor para acionar as turbinas. Em um reator nuclear de água leve, a água é aquecida por barras de combustível nas quais ocorreu a fissão nuclear. A remoção de calor é mais eficiente quando a água que circula pelas hastes ferve. Contudo, se muitas bolhas se formarem na superfície, envolvendo as barras de combustível em uma camada de vapor, a transferência de calor é bastante reduzida. Isso não só diminui a geração de energia, também pode ser perigoso porque as hastes de combustível devem ser resfriadas continuamente para evitar um temido acidente de derretimento.
As usinas nucleares operam com baixa potência nominal para fornecer uma ampla margem de segurança e, assim, evitar que tal cenário ocorra. Ravichandran acredita que esses padrões podem ser excessivamente cautelosos, devido ao fato de que as pessoas ainda não têm certeza das condições que geram a crise da ebulição. Isso prejudica a viabilidade econômica da energia nuclear, ela diz, em um momento em que precisamos desesperadamente de fontes de energia livres de carbono. Mas Ravichandran e outros pesquisadores do Laboratório Bucci estão começando a preencher algumas lacunas importantes em nosso entendimento.
Eles inicialmente realizaram experimentos para determinar a rapidez com que as bolhas se formam quando a água atinge uma superfície quente, quão grandes ficam as bolhas, quanto tempo eles crescem, e como a temperatura da superfície muda. "Um experimento típico durava dois minutos, mas levou mais de três semanas para escolher cada bolha que se formou e acompanhar seu crescimento e evolução, "Ravichandran explica.
Para agilizar esse processo, ela e Bucci estão implementando uma abordagem de aprendizado de máquina, baseado em tecnologia de rede neural. As redes neurais são boas no reconhecimento de padrões, incluindo aqueles associados à nucleação de bolhas. "Essas redes precisam de muitos dados, "Ravichandran diz." Quanto mais dados eles são alimentados, melhor o desempenho delas. "As redes foram treinadas em resultados experimentais relativos à formação de bolhas em diferentes superfícies; as redes foram então testadas em superfícies para as quais os pesquisadores do NSE não tinham dados e não sabiam o que esperar.
Depois de obter a validação experimental da saída dos modelos de aprendizado de máquina, a equipe agora está tentando fazer com que esses modelos façam previsões confiáveis sobre quando ocorrerá a crise da bolha, em si, Vai acontecer. O objetivo final é ter um sistema totalmente autônomo que possa não apenas prever a crise de ebulição, mas também mostre por que isso acontece e feche experimentos automaticamente antes que as coisas vão longe demais e o equipamento de laboratório começa a derreter.
Enquanto isso, Ravichandran e Bucci fizeram alguns avanços teóricos importantes, que relatam em um artigo publicado recentemente para Cartas de Física Aplicada . Houve um debate na comunidade de engenharia nuclear se a crise de ebulição é causada por bolhas que cobrem a superfície da barra de combustível ou devido ao crescimento de bolhas umas em cima das outras, estendendo-se para fora da superfície. Ravichandran e Bucci determinaram que é um fenômeno de nível superficial. Além disso, eles identificaram os três principais fatores que desencadeiam a crise da fervura. Primeiro, há o número de bolhas que se formam sobre uma determinada área de superfície, e em segundo lugar, o tamanho médio da bolha. O terceiro fator é o produto da frequência da bolha (o número de bolhas se formando em um segundo em um determinado local) e o tempo que leva para uma bolha atingir seu tamanho total.
Ravichandran está feliz por ter lançado uma nova luz sobre este assunto, mas reconhece que ainda há muito trabalho a ser feito. Embora sua agenda de pesquisa seja ambiciosa e quase totalmente consumidora, ela nunca se esquece de onde veio e da sensação de isolamento que sentiu enquanto estudava engenharia na graduação. Ela tem, por sua própria iniciativa, tem sido mentor de estudantes de engenharia na Índia, fornecendo orientação de pesquisa e aconselhamento de carreira.
"Às vezes sinto que houve uma razão para eu ter passado por aquelas dificuldades iniciais, "Ravichandran diz." Foi isso que me fez decidir que quero ser um educador. "Ela também é grata pelas oportunidades que se abriram para ela desde que veio para o MIT. Recebeu uma bolsa de estudos MathWorks Engineering Fellowship 2021-22, ela diz, "agora parece que os únicos limites para mim são aqueles que eu mesmo coloquei."