Ξέρετε αυτό το όπλο freeze-ray που χρησιμοποιεί ο κακός του «Batman» ο Mr. Freeze για να «παγώσει» τους εχθρούς του; Ένας καθηγητής του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια πιστεύει ότι μπορεί να έχει καταλάβει πώς να το φτιάξει στην πραγματική ζωή.
Ωστόσο, η ανακάλυψη – η οποία, απροσδόκητα, βασίζεται στο πλάσμα που παράγει θερμότητα – δεν προορίζεται για όπλα. Ο καθηγητής Μηχανολογίας και Αεροδιαστημικής Μηχανικής Patrick Hopkins θέλει να δημιουργήσει ψύξη επιφάνειας κατ’ απαίτηση για ηλεκτρονικά μέσα σε διαστημόπλοια και πίδακες μεγάλου υψομέτρου.
«Αυτό είναι το πρωταρχικό πρόβλημα αυτή τη στιγμή», είπε ο Hopkins. «Πολλά ηλεκτρονικά on board θερμαίνονται, αλλά δεν έχουν τρόπο να κρυώσουν».
Στην Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ αρέσει τόσο η προοπτική μιας ακτίνας κατάψυξης που χορήγησε στο εργαστήριο ExSiTE (Πειράματα και προσομοιώσεις στη θερμική μηχανική) του καθηγητή το ποσό των 750.000 $ σε διάστημα τριών ετών για να μελετήσει πώς να μεγιστοποιήσει την τεχνολογία.
Από εκεί, το εργαστήριο θα συνεργαστεί με την εταιρεία UVA spinout του Hopkins, Laser Thermal, για την κατασκευή μιας πρωτότυπης συσκευής.
Ο καθηγητής εξήγησε ότι, στη Γη — ή στον αέρα πιο κοντά σε αυτήν — τα ηλεκτρονικά στα στρατιωτικά σκάφη μπορούν συχνά να ψύχονται από τη φύση. Το Ναυτικό, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί το νερό των ωκεανών ως μέρος των συστημάτων υγρής ψύξης του. Και πιο κοντά στο έδαφος, ο αέρας είναι αρκετά πυκνός για να διατηρεί τα εξαρτήματα του αεροσκάφους παγωμένα.
Ωστόσο, «Με την Πολεμική Αεροπορία και τη Διαστημική Δύναμη, βρίσκεστε στο διάστημα, που είναι ένα κενό, ή βρίσκεστε στην ανώτερη ατμόσφαιρα, όπου υπάρχει πολύ λίγος αέρας που μπορεί να κρυώσει», είπε. «Λοιπόν αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα ηλεκτρονικά σας συνεχώς γίνονται όλο και πιο ζεστά και πιο ζεστά. Και δεν μπορείτε να φέρετε ένα ωφέλιμο φορτίο ψυκτικού στο σκάφος γιατί αυτό θα αυξήσει το βάρος και θα χάσετε την απόδοση».
Ο Hopkins πιστεύει ότι βρίσκεται σε καλό δρόμο προς μια ελαφριά λύση. Αυτός και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν πρόσφατα ένα άρθρο ανασκόπησης σχετικά με αυτό και άλλες προοπτικές για την τεχνολογία στο περιοδικό ACS Nano.
Η Τέταρτη Κατάσταση της Ύλης
Η ύλη που συναντάμε καθημερινά υπάρχει σε τρεις καταστάσεις: στερεή, υγρή και αέρια. Αλλά υπάρχει μια τέταρτη κατάσταση: το πλάσμα. Αν και μπορεί να μας φαίνεται σχετικά σπάνιο στη Γη, το πλάσμα είναι η πιο κοινή μορφή ύλης στο σύμπαν. Στην πραγματικότητα, είναι τα πράγματα από τα οποία είναι φτιαγμένα τα αστέρια.
Το πλάσμα μπορεί να συμβεί όταν ενεργοποιείται το αέριο, είπε ο Hopkins. Αυτό τροφοδοτεί τις μοναδικές ιδιότητές τους, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο του αερίου και άλλες συνθήκες. Αλλά αυτό που ενώνει όλο το πλάσμα είναι μια αρχική χημική αντίδραση που αποσυνδέει τα ηλεκτρόνια από τις πυρηνικές τροχιές τους και απελευθερώνει μια ροή φωτονίων, ιόντων και ηλεκτρονίων, μεταξύ άλλων ενεργητικών ειδών.
Τα εντυπωσιακά αποτελέσματα μπορούν να παρατηρηθούν με την ξαφνική λάμψη ενός κεραυνού, για παράδειγμα, ή τη ζεστή λάμψη μιας πινακίδας νέον.
Αν και οι τηλεοράσεις με οθόνη πλάσματος ήταν κάποτε κάτι, στη συνέχεια καταργήθηκαν σταδιακά, μην το αφήσετε να σας ξεγελάσει. Το πλάσμα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην τεχνολογία. Χρησιμοποιείται ήδη στους κινητήρες πολλών από τα ταχύτερα τζετ της Πολεμικής Αεροπορίας. Το πλάσμα βοηθά την καύση, βελτιώνοντας την ταχύτητα και την απόδοση.
Αλλά ο Hopkins απεικονίζει το πλάσμα να χρησιμοποιείται επίσης στο εσωτερικό του σκάφους.
Η τυπική λύση για τα ηλεκτρονικά του αέρα και του διαστήματος ήταν μια «ψυχρή πλάκα», η οποία μεταφέρει τη θερμότητα μακριά από τα ηλεκτρονικά προς τα θερμαντικά σώματα, τα οποία την απελευθερώνουν. Για προηγμένα ηλεκτρονικά, ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι πάντα αρκετό.
Ο Hopkins πιστεύει ότι η αναθεωρημένη διάταξη μπορεί να είναι κάτι σαν ρομποτικός βραχίονας που κυλά ως απόκριση στις αλλαγές θερμοκρασίας, με ένα κοντό, κοντινό ηλεκτρόδιο που εξαφανίζει τα καυτά σημεία.
«Αυτός ο πίδακας πλάσματος είναι σαν μια ακτίνα λέιζερ, είναι σαν ένας κεραυνός», είπε ο Hopkins. «Μπορεί να είναι εξαιρετικά τοπικός».
Το αίνιγμα του πλάσματος
Το πλάσμα μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες τόσο ζεστές όσο η επιφάνεια του ήλιου. Αλλά φαίνεται επίσης να έχει αυτό το περίεργο χαρακτηριστικό, ένα που φαίνεται να παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Όταν χτυπά μια επιφάνεια, στην πραγματικότητα κρυώνει πριν θερμανθεί.
Ο Hopkins και ο συνεργάτης του, Scott Walton του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ναυτικού των ΗΠΑ, έκαναν την απροσδόκητη ανακάλυψη πριν από αρκετά χρόνια, λίγο πριν χτυπήσει η πανδημία.
«Αυτό στο οποίο ειδικεύομαι είναι να κάνω πραγματικά, πολύ γρήγορα και πραγματικά, πολύ μικρές μετρήσεις θερμοκρασίας», είπε ο Hopkins για τα ειδικά κατασκευασμένα μικροσκοπικά όργανά του, τα οποία μπορούν να καταγράφουν εξειδικευμένα μητρώα θερμότητας.
Στο πείραμά τους, εκτόξευσαν έναν μωβ πίδακα πλάσματος που παρήχθη από ήλιο μέσω μιας κοίλης βελόνας που ήταν εγκλεισμένη σε κεραμικό. Ο στόχος ήταν μια επιχρυσωμένη επιφάνεια. Οι ερευνητές επέλεξαν τον χρυσό επειδή είναι αδρανής και όσο το δυνατόν περισσότερο, ήθελαν να αποφύγουν την επιφανειακή χάραξη από την εστιασμένη δέσμη, η οποία θα μπορούσε να παραμορφώσει τα αποτελέσματα.
«Όταν λοιπόν ενεργοποιήσαμε το πλάσμα», είπε ο Hopkins, «μπορούσαμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία αμέσως στο σημείο που χτυπούσε το πλάσμα, μετά μπορούσαμε να δούμε πώς άλλαξε η επιφάνεια. Είδαμε την επιφάνεια να κρυώνει πρώτα και μετά να ζεσταίνεται».
«Απλώς μπερδευτήκαμε σε κάποιο επίπεδο σχετικά με το γιατί συνέβαινε αυτό, γιατί συνέβαινε ξανά και ξανά. Και δεν υπήρχε καμία πληροφορία για να αντλήσουμε από αυτό γιατί καμία προηγούμενη βιβλιογραφία δεν ήταν σε θέση να μετρήσει την αλλαγή θερμοκρασίας με την ακρίβεια που έχουμε. Κανείς δεν μπόρεσε να το κάνει τόσο γρήγορα».
Τι συνειδητοποίησαν
Αυτό που τελικά προσδιόρισαν, σε συνεργασία με τον τότε διδακτορικό ερευνητή του UVA, John Tomko και συνέχισαν τις δοκιμές με το εργαστήριο του Ναυτικού, ήταν ότι η ψύξη της επιφάνειας πρέπει να ήταν το αποτέλεσμα της ανατίναξης ενός εξαιρετικά λεπτού, δυσδιάκριτου επιφανειακού στρώματος, αποτελούμενου από άνθρακα και μόρια νερού.
Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει όταν το δροσερό νερό εξατμίζεται από το δέρμα μας μετά από μια βουτιά.
“Η εξάτμιση των μορίων του νερού στο σώμα απαιτεί ενέργεια, παίρνει ενέργεια από το σώμα και γι’ αυτό αισθάνεσαι κρύο“, είπε ο καθηγητής. «Σε αυτή την περίπτωση, το πλάσμα αφαιρεί τα απορροφημένα είδη, απελευθερώνεται ενέργεια και αυτό είναι που ψύχεται».
Τα μικροσκόπια του Hopkins λειτουργούν με μια διαδικασία που ονομάζεται «οπτική θερμομετρία με χρονική ανάλυση» και μετρούν κάτι που ονομάζεται «θερμοανακλαστικότητα».
Βασικά, όταν το υλικό της επιφάνειας είναι πιο ζεστό, αντανακλά το φως διαφορετικά από ό,τι όταν είναι πιο κρύο. Απαιτείται το εξειδικευμένο πεδίο εφαρμογής γιατί διαφορετικά το πλάσμα θα εξαφάνιζε τυχόν μετρητές θερμοκρασίας που έρχονται σε άμεση επαφή.
Πόσο κρύο είναι λοιπόν; Προσδιόρισαν ότι ήταν σε θέση να μειώσουν τη θερμοκρασία κατά αρκετούς βαθμούς και για μερικά μικροδευτερόλεπτα. Αν και αυτό μπορεί να μην φαίνεται δραματικό, είναι αρκετό για να κάνει τη διαφορά σε ορισμένες ηλεκτρονικές συσκευές.
Μετά την καθυστέρηση της πανδημίας, ο Hopkins και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα αρχικά ευρήματα στο Nature Communications πέρυσι.
Τότε το ερώτημα έγινε: Θα μπορούσαν να έχουν μια αντίδραση για να είναι πιο κρύα και να διαρκέσουν περισσότερο;
Βελτιστοποίηση της Freeze Ray
Παλιότερα δούλευε με τον δανεικό εξοπλισμό του Πολεμικού Ναυτικού – τόσο ελαφρύς και ασφαλής που χρησιμοποιούνταν συχνά για σχολικές επιδείξεις – το εργαστήριο του UVA έχει τώρα τη δική του εγκατάσταση, χάρη στην επιχορήγηση της Πολεμικής Αεροπορίας.
Η ομάδα εξετάζει πώς οι παραλλαγές στον αρχικό τους σχεδιασμό θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη συσκευή. Οι υποψήφιοι διδάκτορες Sara Makarem Hoseini και Daniel Hirt εξετάζουν αέρια, μέταλλα και επιφανειακές επικαλύψεις που μπορεί να στοχεύσει το πλάσμα.
Ο Hirt παρείχε μια ενημέρωση εργαστηρίου.
«Δεν έχουμε εξερευνήσει ακόμη τη χρήση διαφορετικών αερίων, καθώς εξακολουθούμε να εργαζόμαστε με ήλιο», είπε. «Έχουμε πειραματιστεί μέχρι στιγμής με διαφορετικά μέταλλα, όπως χρυσό και χαλκό, και ημιαγωγούς, και κάθε υλικό προσφέρει τον δικό του χώρο για τη διερεύνηση του πώς το πλάσμα αλληλεπιδρά με τις διαφορετικές ιδιότητές τους».
«Δεδομένου ότι το πλάσμα αποτελείται από μια ποικιλία διαφορετικών σωματιδίων, η αλλαγή του τύπου του αερίου που χρησιμοποιείται θα μας επιτρέψει να δούμε πώς κάθε ένα από αυτά τα σωματίδια επηρεάζει τις ιδιότητες του υλικού».
Ο Hirt είπε ότι η συνεργασία με τον Hopkins σε ένα έργο με τόσο σημαντικές επιπτώσεις έχει αναζωογονήσει το ενδιαφέρον του για την έρευνα, σε μεγάλο βαθμό λόγω του υποστηρικτικού εργαστηριακού περιβάλλοντος που προωθεί ο καθηγητής.
«Αισθάνομαι ότι είναι νύχτα και μέρα συγκρίνοντας όχι μόνο το πού ήμουν ως επιστήμονας, αλλά και την απόλαυση της επιστήμης με το σημείο που βρίσκομαι σήμερα», είπε.
Επιστημονικό Άρθρο:
Ashutosh Giri, Scott G. Walton, John Tomko, Niraj Bhatt, Michael J. Johnson, David R. Boris, Guanyu Lu, Joshua D. Caldwell, Oleg V. Prezhdo, Patrick E. Hopkins. Ultrafast and Nanoscale Energy Transduction Mechanisms and Coupled Thermal Transport across Interfaces. ACS Nano, 2023.
