Scoperta agghiacciante: la scienza dietro un reale

A cura della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Virginia, 2 agosto 2023

Il professor Patrick Hopkins dell'Università della Virginia sta sviluppando un dispositivo a raggi congelanti per raffreddare l'elettronica nei veicoli spaziali e nei jet ad alta quota. La tecnologia si basa sul plasma, che sorprendentemente raffredda le superfici prima di riscaldarle. Con una sovvenzione di 750.000 dollari da parte dell’aeronautica americana, il team sta esplorando modi per amplificare e prolungare questo effetto di raffreddamento. (Concetto dell'artista.)

Un professore dell'Università della Virginia crede di aver scoperto come creare un dispositivo a raggi congelanti, ispirato al cattivo di Batman, Mr. Freeze. Piuttosto che essere un’arma, questo dispositivo è destinato a raffreddare l’elettronica all’interno di veicoli spaziali e jet ad alta quota.

Conosci quella pistola a raggi congelanti che il cattivo di "Batman", Mr. Freeze, usa per "congelare" i suoi nemici? Un professore dell'Università della Virginia pensa di aver capito come realizzarne uno nella vita reale.

The discovery – surprisingly based on heat-generating plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> plasma – non è però destinato alle armi. Il professore di ingegneria meccanica e aerospaziale Patrick Hopkins vuole creare un raffreddamento superficiale su richiesta per l'elettronica all'interno di veicoli spaziali e jet ad alta quota.

"Questo è il problema principale in questo momento", ha detto Hopkins. "Molti componenti elettronici a bordo si surriscaldano, ma non hanno modo di raffreddarsi."

L'aeronautica americana apprezza talmente la prospettiva di un raggio congelante che ha concesso all'ExSiTE Lab (Experiments and Simulations in Thermal Engineering) del professore 750.000 dollari in tre anni per studiare come massimizzare la tecnologia.

Da lì, il laboratorio collaborerà con la società spinout UVA di Hopkins, Laser Thermal, per la fabbricazione di un dispositivo prototipo.

Il professore ha spiegato che, sulla Terra – o nell’aria più vicina ad essa – l’elettronica delle navi militari può spesso essere raffreddata dalla natura. La Marina, ad esempio, utilizza l’acqua dell’oceano come parte dei suoi sistemi di raffreddamento a liquido. E più vicino al suolo, l’aria è abbastanza densa da contribuire a mantenere freddi i componenti dell’aereo.

I dottorandi Sara Makarem Hoseini e Daniel Hirt osservano la configurazione dei raggi al plasma. Sebbene Hirt indossi un berretto lavorato a maglia e un giubbotto imbottito per effetto, il raffreddamento è localizzato e non ha molta influenza sulla temperatura della stanza circostante. Credito: Tom Cogill

Tuttavia, "Con l'Air Force e la Space Force, sei nello spazio, che è un vuoto, o sei nell'atmosfera superiore, dove c'è pochissima aria che può raffreddarsi", ha detto. “Quindi quello che succede è che i tuoi dispositivi elettronici continuano a diventare sempre più caldi. E non è possibile portare a bordo un carico utile di refrigerante perché ciò aumenterebbe il peso e si perderebbe efficienza.

Hopkins ritiene di essere sulla buona strada verso una soluzione leggera. Lui e i suoi collaboratori hanno recentemente pubblicato un articolo di revisione su questa e altre prospettive per la tecnologia sulla rivista ACS Nano.

La materia che incontriamo ogni giorno esiste in tre stati: solido, liquido e gassoso. Ma esiste un quarto stato: il plasma. Sebbene possa sembrare relativamente raro per noi sulla Terra, il plasma è la forma di materia più comune nell’universo. In effetti, è la sostanza di cui sono fatte le stelle.

Plasmas can occur when gas is energized, Hopkins said. That powers their unique properties, which vary based on the type of gas and other conditions. But what unites all plasma is an initial chemical reaction that untethers electrons from their nuclear orbits and releases a flow of photons, ions and electrons, among other energetic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"species./p>

“We haven’t really explored the use of different gasses yet, as we’re still working with helium,” he said. “We have experimented so far with different metals, such as gold and copper, and semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"semiconductors, and each material offers its own playground for investigating how plasma interacts with their different properties./p>