Il professore usa i raggi al plasma per raffreddare l'elettronica di bordo dell'aeronautica americana

Tom Cogill/UVA

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I ricercatori dell’Università della Virginia hanno trovato un modo per raffreddare l’elettronica di fascia alta negli aerei militari utilizzando i raggi al plasma. Il team guidato da Patrick Hopkins, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all'università, sta trasformando la fantascienza in realtà con il suo lavoro, si legge in un comunicato stampa.

Con i crescenti progressi tecnologici, anche le attrezzature militari sono costellate di elettronica di fascia alta. Le marine di tutto il mondo utilizzano l’acqua nei loro sistemi di raffreddamento, mentre l’aria densa aiuta a raffreddare rapidamente le apparecchiature sulla Terra.

Per l’Air Force, tuttavia, questa è stata una sfida a causa dell’aria rarefatta in cui opera. Gli strati superiori dell’atmosfera non hanno molta aria per facilitare il raffreddamento e gli aerei non possono trasportare a bordo il peso extra dei refrigeranti. Il team di Hopkins ha trovato una soluzione leggera e pratica al problema: l'uso del plasma.

Il plasma, il quarto stato della materia, viene creato quando i gas vengono energizzati. In questo stato, gli elettroni dell'elemento gassoso lasciano le loro orbite nucleari e la materia può rilasciare fotoni, ioni o anche elettroni in un flusso. Questi possono essere visualizzati sotto forma di un raggio o di un fulmine.

Alcuni anni fa, Hopkins e il suo collaboratore del Laboratorio di ricerca della Marina statunitense, Scott Walton, fecero una scoperta sorprendente. Quando hanno sparato un getto viola di plasma creato utilizzando l'elio su una superficie placcata in oro, hanno scoperto che raffreddava l'oggetto prima di riscaldarlo. Questo fenomeno non era mai stato osservato prima e i ricercatori hanno dovuto ripetere i loro esperimenti più volte per confermare che le loro osservazioni fossero effettivamente corrette.

Dopo le loro molteplici osservazioni, i ricercatori hanno stabilito che il raffreddamento era probabilmente il risultato dell’esplosione di uno strato superficiale ultrasottile di acqua e molecole di carbonio che era difficile da vedere ma esisteva sulla superficie dell’oggetto. Proprio come il sudore sulla nostra pelle che utilizza l'energia del nostro corpo per evaporare e raffreddare il corpo, questo strato di molecole utilizza l'energia del plasma per raffreddare l'oggetto.

Tom Cogill/UVA

Hopkins prevede che questo raffreddamento istantaneo potrebbe essere implementato negli aerei dove un braccio robotico potrebbe entrare in azione su aree in cui le temperature aumentano e raffreddarle istantaneamente con brevi esplosioni di raggi al plasma. Si tratterebbe di un notevole miglioramento rispetto alla "piastra fredda" attualmente utilizzata per allontanare il calore dall'elettronica nelle applicazioni aeree e spaziali.

L'aeronautica americana apprezza il concetto e ha assegnato al team di Hopkin del laboratorio Experiments and Simulations in Thermal Engineering (ExSITE) una sovvenzione di 750.000 dollari in tre anni per portarlo avanti. Inoltre, il team costruirà anche un prototipo di dispositivo attraverso la loro società spin-out, Laser Thermal.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano.

Astratto:

Le interazioni accoppiate tra i portatori fondamentali di carica, calore e campi elettromagnetici alle interfacce e ai confini danno origine a processi energetici che consentono un’ampia gamma di tecnologie. La trasduzione di energia tra questi vettori accoppiati si traduce in dissipazione termica su queste superfici, spesso quantificata dalla resistenza del confine termico, guidando così le funzionalità delle moderne nanotecnologie che continuano a fornire vantaggi trasformazionali nell'informatica, nella comunicazione, nell'assistenza sanitaria, nell'energia pulita, nell'energia. riciclaggio, rilevamento e produzione, solo per citarne alcuni. Lo scopo di questa revisione è quello di riassumere i lavori recenti che sono stati riportati sulla trasduzione di energia ultraveloce e su scala nanometrica e sui meccanismi di trasferimento del calore attraverso le interfacce quando diversi portatori termici si accoppiano vicino o attraverso le interfacce. Esaminiamo i meccanismi di trasferimento di calore accoppiati alle interfacce di solidi, liquidi, gas e plasma che guidano il risultante trasferimento di calore interfacciale e i gradienti di temperatura dovuti all'accoppiamento di energia e quantità di moto tra varie combinazioni di elettroni, vibroni, fotoni, polaritoni (polaritoni plasmonici e polaritoni fononici ) e molecole. Questi processi di trasporto termico interfacciale con vettori energetici accoppiati coinvolgono ricerche relativamente recenti e, quindi, esistono diverse opportunità per sviluppare ulteriormente questi campi nascenti, di cui commenteremo nel corso di questa revisione.