Rozwiązywanie długotrwałych problemów z przenoszeniem ciepła |Wiadomości z MIT

To pytanie nurtuje naukowców od stulecia.Ale dzięki nagrodzie za wybitną służbę Departamentu Energii (DoE) w wysokości 625 000 USD, Matteo Bucci, adiunkt na Wydziale Nauki i Inżynierii Jądrowej (NSE), ma nadzieję zbliżyć się do odpowiedzi.
Niezależnie od tego, czy podgrzewasz wodę na makaron, czy projektujesz reaktor jądrowy, jedno zjawisko — wrzenie — ma kluczowe znaczenie dla wydajności obu procesów.
„Gotowanie jest bardzo wydajnym mechanizmem wymiany ciepła;w ten sposób duża ilość ciepła jest usuwana z powierzchni, dlatego jest wykorzystywana w wielu zastosowaniach o dużej gęstości mocy” – powiedział Bucci.Przykład użycia: reaktor jądrowy.
Dla niewtajemniczonych gotowanie wygląda na proste – powstają bąbelki, które pękają, usuwając ciepło.Ale co, jeśli tak wiele bąbelków utworzyło się i połączyło, tworząc smugę pary, która uniemożliwiła dalsze przenoszenie ciepła?Takim problemem jest dobrze znana jednostka znana jako wrzący kryzys.Doprowadziłoby to do ucieczki termicznej i awarii prętów paliwowych w reaktorze jądrowym.Dlatego „zrozumienie i identyfikacja warunków, w których może wystąpić kryzys wrzenia, ma kluczowe znaczenie dla opracowania bardziej wydajnych i konkurencyjnych kosztowo reaktorów jądrowych” – powiedział Butch.
Wczesne pisma na temat gotującego się kryzysu pochodzą prawie sto lat przed 1926 rokiem. Chociaż wykonano wiele pracy, „jasne jest, że nie znaleźliśmy odpowiedzi” – powiedział Bucci.Wrzące kryzysy pozostają problemem, ponieważ pomimo obfitości modeli trudno jest zmierzyć odpowiednie zjawiska, aby je udowodnić lub obalić.„[Wrzenie] to proces, który zachodzi na bardzo, bardzo małą skalę i w bardzo, bardzo krótkim czasie” – powiedział Bucci.„Nie możemy oglądać tego z poziomem szczegółowości potrzebnym do zrozumienia, co naprawdę się dzieje i testowania hipotez”.
Ale w ciągu ostatnich kilku lat Bucci i jego zespół opracowali diagnostykę, która może mierzyć zjawiska związane z gotowaniem i dostarczać bardzo potrzebnej odpowiedzi na klasyczne pytanie.Diagnoza opiera się na metodach pomiaru temperatury w podczerwieni z wykorzystaniem światła widzialnego.„Myślę, że łącząc te dwie technologie, będziemy gotowi odpowiedzieć na długoterminowe pytania dotyczące wymiany ciepła i wyjść z króliczej nory” — powiedział Bucci.Dotacje Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych z Programu Energii Jądrowej pomogą w tym badaniu i innych wysiłkach badawczych Bucci.
Dla Bucci, która dorastała w Citta di Castello, małym miasteczku niedaleko Florencji we Włoszech, rozwiązywanie zagadek nie jest niczym nowym.Matka Butcha była nauczycielką w szkole podstawowej.Jego ojciec miał warsztat mechaniczny, który wspierał naukowe hobby Bucciego.„Jako dziecko byłem wielkim fanem Lego.To była pasja – dodał.
Chociaż Włochy doświadczyły poważnego spadku energii jądrowej w latach, w których się kształtowały, temat fascynował Bucciego.Możliwości pracy w terenie były niepewne, ale Bucci postanowił kopać głębiej.„Jeśli mam coś robić do końca życia, to nie jest to tak dobre, jak bym chciał” – żartował.Bucci studiował inżynierię jądrową na studiach licencjackich i podyplomowych na Uniwersytecie w Pizie.
Jego zainteresowanie mechanizmami wymiany ciepła wyrosło z badań doktoranckich, nad którymi pracował we Francuskiej Komisji ds. Energii Alternatywnej i Energii Atomowej (CEA) w Paryżu.Tam kolega zasugerował pracę nad kryzysem wrzącej wody.Tym razem Bucci skupił się na NSE MIT i skontaktował się z profesorem Jacopo Buongiorno, aby zapytać o badania instytutu.Bucci musiał zebrać fundusze w CEA na badania w MIT.Przybył z biletem w obie strony na kilka dni przed zamachem bombowym podczas maratonu bostońskiego w 2013 roku.Ale od tego czasu Bucci pozostał tam, zostając naukowcem, a następnie adiunktem w NSE.
Bucci przyznaje, że miał trudności z przystosowaniem się do swojego środowiska, kiedy po raz pierwszy zapisał się na MIT, ale praca i przyjaźnie z kolegami — uważa Guanyu Su i Rezę Azizyana z NSE za swoich najlepszych przyjaciół — pomogły przezwyciężyć początkowe obawy.
Oprócz diagnostyki wrzenia Bucci i jego zespół pracują również nad sposobami połączenia sztucznej inteligencji z badaniami eksperymentalnymi.Głęboko wierzy, że „integracja zaawansowanej diagnostyki, uczenia maszynowego i zaawansowanych narzędzi do modelowania przyniesie owoce w ciągu dekady”.
Zespół Bucci opracowuje niezależne laboratorium do przeprowadzania eksperymentów z przenoszeniem ciepła podczas wrzenia.Oparta na uczeniu maszynowym konfiguracja decyduje, które eksperymenty przeprowadzić na podstawie celów edukacyjnych określonych przez zespół.„Zadajemy pytanie, na które maszyna odpowie, optymalizując rodzaje eksperymentów potrzebnych do odpowiedzi na te pytania” – powiedział Bucci.„Szczerze myślę, że to kolejna granica, która się gotuje”.
„Kiedy wspinasz się na drzewo i docierasz na szczyt, zdajesz sobie sprawę, że horyzont jest szerszy i piękniejszy” – powiedział Butch o swoim entuzjazmie do dalszych badań w tej dziedzinie.
Nawet dążąc do nowych wyżyn, Bucci nie zapomniał, skąd pochodzi.Aby upamiętnić organizację Mistrzostw Świata FIFA 1990 we Włoszech, seria plakatów przedstawia stadion piłkarski w Koloseum, zajmujący honorowe miejsce w jego domu i biurze.Plakaty te, stworzone przez Alberto Burri, mają wartość sentymentalną: włoski artysta (nieżyjący już) również pochodził z rodzinnego miasta Bucci, Citta di Castello.


Czas postu: 10 sierpnia 2022 r