Strukturovaný materiál po 266 letech skoncoval s Leidenfrostovým jevem  
Leidenfrostův jev není jen obtížný a komplikující. Je to jako kdyby se fyzika spikla a pak se vám smála do očí. To kvůli tomuto jevu až doposud nebylo možné účinně chladit horký povrch kapalinou. Nový strukturovaný materiál může být chlazen při teplotách 100 až 1 150 °C. Úžas je veliký, možné aplikace nezměrné.
Experimenty s novým materiálem. Kredit: CityU.
Experimenty s novým materiálem. Kredit: CityU.

Některé fyzikální jevy dovedou být jako osina v zadku. Rozhodně se to týká Leidenfrostova jevu, který byl objeven v roce 1756. Projevuje se tím, že když se setká kapalina s povrchem, jehož teplota je podstatně vyšší než bod varu dotyčné kapaliny, tak se část kapaliny ihned vypaří a vytvoří izolační vrstvu, na které tančí kuličky tvořené dotyčnou kapalinou. Vrstva páry dramaticky snižuje přenos tepla za vysokých teplot a výsledkem je, že kapalinami prakticky není možné chladit velmi horké povrchy.

 

Wang Zuankai druhý zleva. Kredit: CityU.
Wang Zuankai druhý zleva. Kredit: CityU.

Leidenfrostův jev je obvykle proklínaný. Pro odborníky na tepelnou izolaci bylo poražení Leidenfrostova jevu vytouženou metou, svatým grálem, který hledali usilovněji než rytíři kulatého stolu. V legendární bitvě s fyzikálním jevem nakonec uspěl mezinárodní tým, vedený odborníky City University of Hong Kong (CityU). Vytvořili strukturovaný tepelně izolační materiál STA (Structured thermal armor), který je možné účinně chladit kapalinou i při teplotách přesahujících 1 000 °C.

 

Je to ohromující úspěch, který si žádá vítězný doutník nad žalostnými troskami sebevědomého Leidenfrostova jevu. Nový typ materiálu by se díky své odolnosti mohl prosadit v leteckých a vesmírných motorech a mohl by rovněž zlepšit bezpečnost a spolehlivost příštích generací jaderných reaktorů.

 

Strukturovaný materiál proti Leidenfrostovi. Kredit: CityU.
Strukturovaný materiál proti Leidenfrostovi. Kredit: CityU.

Badatelé vytvořili multitexturový materiál, jehož klíčové prvky mají protikladné tepelné a geometrické vlastnosti. Obsahuje vodivé pilíře, které hrají roli tepelných mostů, tepelně izolační membránu, která nasává a odpařuje kapalinu, a také zanořené kanálky tvaru U, které odvádějí páru. Výsledný materiál účinně potlačuje výskyt Leidenfrostova jevu až do teploty 1 150 °C a lze jej efektivně chladit v rozmezí teplot 100 až 1 150 °C.

 

Jak podotýká vedoucí výzkumu Wang Zuankai z CityU, jejich výzkum přinesl průlom díky multioborovému přístupu. Výzkum zahrnuje vědu o površích, hydro– a aerodynamiku, chlazení, materiálovou vědu, fyziku, vědu o energii a rozmanité technologie. Dosavadní technologie, které v tomto směru výzkumu vznikly, využívají chlazení vzduchem, z nouze, právě kvůli Leidenfrostovu jevu. Podle Wanga může být výsledný materiál ohebný a nevyžaduje další zpracování. I díky tomu by měl mí ohromující potenciál pro praktické aplikace.

 

Video: CityU’s new structured thermal armour solves 18th century Leidenfrost challenge

 

Literatura

CityU 27. 1. 2022.

Nature 601: 568–572.

Datum: 01.02.2022
Tisk článku

Související články:

Nový ultralehký keramický aerogel ustojí extrémní teploty     Autor: Stanislav Mihulka (15.02.2019)
Kovové svaly s pamětí úžasně chladí i ohřívají     Autor: Stanislav Mihulka (05.04.2019)
Důmyslný střešní materiál se ochlazuje v létě a ohřívá v zimě     Autor: Stanislav Mihulka (27.12.2021)



Diskuze:

Století páry?

Martin Žulkevič,2022-02-03 12:00:23

Ano, devatenácté století je nazýváno stoletím páry, učili jsme se to ve fyzice...

Odpovědět

Nie je materiál ako materiál

Zicho Trenčiansky,2022-02-02 08:01:35

Porovnajte tento článok s tým náramkom na tvorbu tepla. To vyzerá na fail, toto je top. Ktovie aká bude realita a prax.

Odpovědět

A co parní kotle?

Jan Jančura,2022-02-01 21:28:37

Nejsem si jist zda nemožnost chlazení kapalinou velmi horké povrchy. To by zřejmě nefungovaly parní kotle a raketové motory. Stěny parních kotlů tvoří jen trubkové svazky jimž proudí vysokotlaká voda velkou rychlostí, čímž jsou bubliny vznikající páry stále strhávány, takže přenosu tepla topeniště s teplotou cca 1500K do kapaliny v trubkách to výrazně nebrání.
Velmi podobné je to u spalovacích komor raketových motorů, kde kde většinou kryogenní kapalné palivo resp. okysličovadlo přes tenkou vnitřní stěnu ze slitiny mědi dokáže teplotu ve spalovací komoře větší než 3000K snížit na cca 500K.

Odpovědět


Re: A co parní kotle?

Z Z,2022-02-01 22:31:50

Pochopil som to tak, že nový materiál umožňuje účinne chladiť aj v nízkotlakej nepohyblivej kvapaline, čo prípady, ktoré spomínate, nie sú.

Odpovědět


Re: Re: A co parní kotle?

Josef Hrncirik,2022-02-03 16:39:07

Podložka musí být hladká a pokud možno nesmáčivá a v kapalině nemají snadno vznikat nukleační bublinky (neznečistěná porézními částicemi či rozpuštěným plynem, s velkým výparným teplem a povrchovým napětím (vyhovuje vodě).

Odpovědět


Pokud je mi známo,

Pavel Nedbal,2022-02-04 13:03:00

s tím bojovali už před 200 lety první kotelníci kteří měli vyrábět páru. A taky na to přišli - rozlišili var blánový (to je ten problém, který izoluje horkou plochu od vody) a var bublinový. Ten je požadován, a m.j. se dosáhne zdrsněním povrchu a rychlejší cirkulací vody. A nejhorší je var utajený, hned po nástupu do laborek VŠCHT nás chemické nováčky upozornili, abychom na dno kádinky dali keramický (neglazovaný) korálek, jinak nám to skončí v ksichtě. Takže nic nového.

Odpovědět

Tokamaky po tom nejspíše skočí

Martin Prokš,2022-02-01 21:04:15

Dobrý den,
Asi největší tepelné toky a z toho vyplývající problémy jsou na vnitřních stěnách tokamaků. Jestli ta technologie opravdu umí předávat teplo do chladiva tak jak slibují a jestli je to možné udělat i z materiálů na bázi mědi, pak asi ITER v první řadě po tom skočí.

Odpovědět


Re: Tokamaky po tom nejspíše skočí

Pavol Tocik,2022-02-03 20:24:13

ITER to urcite nepouzije. Megastavba, ktoru projektovali, mnohe nove materialy a technologie najprv roky testovali a teraz budu vela dalsich rokov stavat nepouzije technologiu, ktora sa pred "par dnami" objavila. Mozno v nasledujucich generaciach ITER-u, ak sa aj prakticky potvrdi jej ucinnost a osvedci v mensich projektoch.

Odpovědět

kontinualne liatie ocele

Boris Lukáč,2022-02-01 14:10:52

pri kontinualnom liatí ocele je to možne chladiť vodou ,len poradie je opačné.
t.j roztavený kov je liatý do vodou chladenej matrice kde na druhej strane výchadza kontinualný profil o teplote cca 600 C. Blok chladenia je z medi.

Odpovědět


Re: kontinualne liatie ocele

Jan Janovský,2022-02-01 15:47:30

Dobrý den, normálně jsem se kvůli Vám registroval.
. Přečtěte si prosím ještě jednou článek a pak Váš příspěvek. A odpovězte si na smysl Vašeho textu. Díky

Odpovědět


Re: kontinualne liatie ocele

Josef Hrncirik,2022-02-03 18:34:39

Měděná kokila má teplotu cca 600-700°C a je kupodivu chladitelná vodou protékající kanálky v mědi.
Určitě by nebylo rozumné provokovat Johanna Gotloba Leidenfrosta kapáním vody či ponořením kokily do vody, protože nad taveninou je udržována inertní atmosféra. Výměny tepla jsou řešeny běžným chemicko inženýrským popisem kriteriálními vztahy či modelováním. (OPTIMALIZACE BRAMOVÉHO PLYNULÉHO ODLÉVÁNÍ OCELI ZA POMOCI NUMERICKÉHO MODELU TEPLOTNÍHO POLE). Desky žhavé z kontilití chladí nehledě na Gottloba studenými střiky vodní mlhou, aniž by vzpomměli alespoň Hermana Boerhaave, který L. jev popsal již o 26 let dříve.
L. jev umožňuje křivopřísežníkům křivě přísahat i s rukou v roztaveném olovu a kejklířům plivat kapalný kyslík do ohně.
Nicméně je pravda, že aby se odlitek nepřichycoval ke kokile, kokila složitě nerovnoměrně vibruje ve 2 směrech. Frekvence a amplitudy jsou TAJNÉ.

Odpovědět

Pecka!

Jaroslav Kousal,2022-02-01 12:39:24

Tohle je opravdu paráda. Výrobně to není prohibitivně složité a umožní to přivést k sobě kapaliny a povrchy jinak nekompatibilních teplot - určitě to zanedlouho někdo demonstruje třeba v kryogenice.

Odpovědět


Re: Pecka!

Václav Chrz,2022-02-05 13:58:13

Vážený pane Kousale,
v kryogenice to bylo vynalezeno a demonstrováno před 49 lety ve státním podniku Ferox v Děčíně a realizováno na velkých zařízeních k odpařování kryogenních plynů.
Václav Chrz

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace