p A condensação da água é crucial para o funcionamento da maioria das usinas que fornecem eletricidade - sejam alimentadas a carvão, gás natural ou combustível nuclear. É também a chave para a produção de água potável a partir de água salgada ou salobra. Mas ainda existem grandes lacunas na compreensão científica de exatamente como a água se condensa nas superfícies usadas para transformar o vapor de volta em água em uma central elétrica, ou para condensar a água em uma usina de dessalinização baseada na evaporação. p Uma nova pesquisa feita por uma equipe do MIT oferece novos insights importantes sobre como essas gotículas se formam, e maneiras de padronizar as superfícies de coleta em nanoescala para encorajar as gotículas a se formarem mais rapidamente. Esses insights podem permitir uma nova geração de usinas de força e dessalinização significativamente mais eficientes, dizem os pesquisadores.

p Os novos resultados foram publicados online este mês na revista. ACS Nano , uma publicação da American Chemical Society, em um artigo do estudante de graduação em engenharia mecânica do MIT, Nenad Miljkovic, pós-doutorado Ryan Enright e professora associada Evelyn Wang.

p Embora a análise dos mecanismos de condensação seja um campo antigo, Miljkovic diz, ele ressurgiu nos últimos anos com o surgimento de tecnologias de micro e nanopadronização que moldam as superfícies de condensação em um grau sem precedentes. A principal propriedade das superfícies que influenciam o comportamento de formação de gotículas é conhecida como "molhabilidade, ”Que determina se as gotas ficam altas em uma superfície como gotas de água em uma chapa quente, ou espalhe rapidamente para formar uma película fina.

p É uma questão fundamental para a operação de centrais elétricas, onde a água é fervida usando combustível fóssil ou o calor da fissão nuclear; o vapor resultante aciona uma turbina ligada a um dínamo, produção de eletricidade. Depois de sair da turbina, o vapor precisa ser resfriado e condensado de volta em água líquida, para que possa retornar à caldeira e reiniciar o processo. (Isso é o que acontece dentro das torres de resfriamento gigantes vistas em usinas de energia.)

p Tipicamente, em uma superfície de condensação, as gotas aumentam gradualmente ao aderir ao material por meio da tensão superficial. Uma vez que eles ficam tão grandes que a gravidade supera a tensão superficial que os mantém no lugar, eles chovem em um recipiente abaixo. Mas acontece que existem maneiras de fazê-los cair da superfície - e até mesmo "pular" da superfície - em tamanhos muito menores, muito antes que a gravidade tome conta. Isso reduz o tamanho das gotas removidas e torna a transferência de calor resultante muito mais eficiente, Miljkovic diz.

p Um mecanismo é um padrão de superfície que incentiva as gotículas adjacentes a se fundirem. Enquanto eles fazem isso, energia é liberada, que “causa um recuo da superfície, e as gotas vão realmente pular, ”Miljkovic diz. Esse mecanismo já foi observado antes, ele observa, mas o novo trabalho “adiciona um novo capítulo à história. Poucos pesquisadores analisaram detalhadamente o crescimento das gotículas antes do salto. ”

p Isso é importante porque, mesmo que o efeito de salto permita que as gotículas deixem a superfície mais rápido do que fariam de outra forma, se o crescimento deles atrasar, você pode realmente reduzir a eficiência. Em outras palavras, não é apenas o tamanho da gota quando ela é liberada que importa, mas também a rapidez com que chega a esse tamanho.

p “Isso não foi identificado antes, ”Miljkovic diz. E em muitos casos, a equipe encontrou, “Você acha que está obtendo transferência de calor aprimorada, mas você está realmente piorando a transferência de calor. ”

p Em pesquisas anteriores, “A transferência de calor não foi medida explicitamente, ”Ele diz, porque é difícil de medir e o campo de condensação com padronização de superfície ainda é bastante jovem. Ao incorporar medições de taxas de crescimento de gotículas e transferência de calor em seus modelos de computador, a equipe do MIT foi capaz de comparar uma variedade de abordagens para a padronização da superfície e encontrar aquelas que realmente forneciam a transferência de calor mais eficiente.

p Uma abordagem tem sido criar uma floresta de minúsculos pilares na superfície:as gotículas tendem a sentar-se no topo dos pilares, molhando apenas localmente a superfície, em vez de molhar toda a superfície, minimizando a área de contato e facilitando a liberação mais fácil. Mas os tamanhos exatos, espaçamento, as relações largura-altura e a rugosidade em nanoescala dos pilares podem fazer uma grande diferença na forma como funcionam, a equipe encontrou.

p “Mostramos que nossas superfícies melhoraram a transferência de calor em até 71 por cento [em comparação com o plano, superfícies não molhadas atualmente usadas apenas em sistemas condensadores de alta eficiência] se você adaptá-las corretamente, ”Miljkovic diz. Com mais trabalho para explorar variações nos padrões de superfície, deve ser possível melhorar ainda mais, ele diz.

p A maior eficiência também pode melhorar a taxa de produção de água em plantas que produzem água potável a partir da água do mar, ou mesmo em novos sistemas de energia solar propostos que dependem de maximizar a área de superfície do evaporador (coletor solar) e minimizar a área de superfície do condensador (trocador de calor) para aumentar a eficiência geral da coleta de energia solar. Um sistema semelhante pode melhorar a remoção de calor em chips de computador, que geralmente se baseia na evaporação interna e na recondensação de um líquido de transferência de calor por meio de um dispositivo denominado tubo de calor.

p Chuan-Hua Chen, um professor assistente de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University que não estava envolvido neste trabalho, diz, “É intrigante ver a coexistência de gotas de condensado em forma de esfera e balão na mesma estrutura. Muito pouco se sabe nas escalas resolvidas pelo microscópio eletrônico ambiental usado neste artigo. Tais descobertas provavelmente influenciarão pesquisas futuras sobre materiais anti-orvalho e ... condensadores. ”

p A próxima etapa da pesquisa, em andamento agora, é estender as descobertas dos experimentos de gotículas e modelagem de computador - e encontrar configurações e maneiras ainda mais eficientes de fabricá-los de forma rápida e barata em escala industrial, Miljkovic diz.

p Este trabalho foi apoiado como parte do MIT S3TEC Center, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.