Nel Device Research Laboratory (DRL) del MIT di Boston Evelyn Wang dirige il Mechanical Engineering Department: lì ricerche di base sul calore alla micro e nanoscala e sui processi di trasporto di massa si incrociano con gli sviluppi dei nuovi materiali nano strutturati per creare soluzioni innovative per la gestione del calore, l’immagazzinamento dell’energia termica, la conversione dell’energia solare termica e la desalinizzazione dell’acqua. I punti di forza di Wang e collaboratori sono la padronanza dei processi di micro e nano fabbricazione allo stato dell’arte, la disponibilità di strumenti di misura unici e la capacità predittiva dei modelli: con queste risorse sono in grado di studiare a fondo i fluidi complessi e i processi, le interfacce e i processi di trasporto termico.
Il loro approccio ha dato finora notevoli risultati nella scoperta di nuove e interessanti funzionalità che consentono di migliorare il trasporto di calore e di massa in diverse applicazioni. È il caso della recente messa a punto di un sistema di controllo del processo di ebollizione, complesso nei suoi presupposti teorici ma elementare nella traduzione pratica: «basta il semplice click di un interruttore elettrico» dice Wang commentando il nuovo metodo così come lo ha descritto in un articolo da poco pubblicato sulla rivista Nature Communications.
In effetti il processo che porta all’ebollizione dell’acqua e alla produzione di vapore è fondamentale in molti impianti e strutture produttive e civili: nella maggior parte delle centrali elettriche, nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, negli impianti di desalinizzazione. Ora, per la prima volta, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per controllare tale processo, consentendo di migliorare l’efficienza della produzione di energia elettrica e di altri processi.
Finora erano stati sviluppati alcuni sistemi per controllare l’ebollizione utilizzando campi elettrici, ma richiedevano fluidi particolari al posto dell’acqua e tensioni molto elevate, il che li rendeva economicamente impraticabile per molti utenti.
La nuova impresa è stata possibile al gruppo di Wang lavorando sulle caratteristiche delle superfici. Con l’aggiunta di tensioattivi all’acqua, cioè creando in pratica un liquido insaponato, succede che le molecole del tensioattivo, che portano una carica elettrica, possono essere attratte o respinte da una superficie metallica semplicemente cambiando la polarità della tensione applicata al metallo. Questo fa variare la superficie metallica tra le due condizioni di idrofilia e idrofobia. L’aggiunta del tensioattivo induce la superficie a diventare più idrofobica, il che aumenta il tasso di nucleazione per formare le bolle. Ma invertendo la carica, la superficie diventi idrofila e inibisce la formazione di bolle. I ricercatori hanno così scoperto che si potrebbe raggiungere un cambiamento di dieci volte del tasso di formazione di bolle semplicemente alternando la carica.
Così come per la condensazione e per la formazione di gocce di pioggia, si richiede un “seme”, ad esempio una particella di polvere, per avviare il processo di nucleazione, altrettanto le bolle formate da acqua bollente richiedono una nucleazione. Piccole irregolarità su una superficie metallica possono fornire tali punti di nucleazione, ma se la superficie è idrofila la formazione di bolle è inibita. Per modificare la bagnabilità delle superfici metalliche, a differenza di altri approcci che si basano sulla creazione di precise lavorazioni superficiali alla nanoscala, questo sistema fa uso delle minuscole irregolarità che esistono naturalmente su una superficie metallica e non richiede particolari trattamenti. Con questo lavoro il gruppo del MIT ha dimostrato che è possibile modificare attivamente il tasso di nucleazione, cosa che finora non era ritenuta possibile.
Poter controllare attivamente il tasso di formazione di bolle, a sua volta, permette di controllare la velocità di trasferimento di calore tra il metallo e il liquido. Questo potrebbe consentire di rendere più efficienti le caldaie delle centrali o di altre applicazioni; gli attuali criteri progettuali infatti richiedono un margine di sicurezza per evitare la possibilità di punti troppo caldi che potrebbero danneggiare seriamente l’impianto.
Dal momento che la maggior parte delle centrali operano ad un tasso costante la maggior parte del tempo, essere in grado di controllare la velocità di trasferimento di calore dinamicamente potrebbe migliorare l’efficienza durante le rampe in su o in giù dalla piena potenza, rendendo più facile fare regolazioni in tempo reale senza perdere efficienza. Analogamente, il raffreddamento del liquido nell’elettronica ad alte prestazioni potrebbe anche essere reso più efficiente potendo controllare il tasso di gorgogliamento per evitare il surriscaldamento nei punti caldi.
In sostanza il nuovo sistema offre la possibilità di scegliere il miglior profilo di trasferimento di calore momento per momento, in base alle necessità, invece di dover scegliere un solo tipo di comportamento; si potranno quindi avere caldaie in grado di rispondere ai cambiamenti rapidi e così introdurre un ulteriore fattore di flessibilità nella rete elettrica.
Ora gli ingegneri del MIT dovranno superare il test più difficile: quello del convincimento dei gestori delle centrali, in genere molto prudenti nell’apportare modifiche ai loro processi. Questo sistema però ha dalla sua che richiede solo poche modifiche relativamente modeste e quindi un impianto dimostrativo potrebbe bastare per dimostrare il concetto e i suoi vantaggi a livello operativo. Wang è tuttavia consapevole che solo con la gestione di un sistema su vasta scala sarà possibile dimostrare che i benefici superano i costi di installazione.