Armadura térmica faz resfriamento líquido acima dos 1.100 °C

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/02/2022

O efeito Leidenfrost é suprimido pela armadura (no detalhe) até 1.150 ºC.
[Imagem: City University of Hong Kong]

Refrigerar coisas muito quentes

Enquanto uma equipe comemora a extensão do efeito Leidenfrost para o gelo, outra alega ter conseguido driblar esse efeito, com benefícios para a refrigeração de quase tudo, de motores a reatores nucleares.

O efeito Leidenfrost é um fenômeno físico descoberto em 1756, que se refere à levitação de gotas em uma superfície significativamente mais quente que o ponto de ebulição do líquido. Ele produz uma camada de vapor isolante entre a superfície e a gota, reduzindo drasticamente a transferência de calor em altas temperaturas.

Enquanto o vapor - a água fervente, por exemplo - é excelente para a transferência de calor, o efeito Leidenfrost torna o resfriamento líquido de superfícies quentes muito ineficaz. Assim, em termos de refrigeração, o fenômeno é tipicamente prejudicial, mas suprimi-lo continuava sendo um desafio histórico, difícil de ser vencido.

Mengnan Jiang e seus colegas da Universidade Cidade de Hong Kong acabam de conseguir.

Jiang construiu uma superfície metálica nanoestruturada que consegue suprimir o efeito Leidenfrost mesmo a temperaturas acima dos 1.000 °C, tornando essa sua "armadura térmica" útil para a refrigeração de motores, incluindo motores de avião, além de usinas termoelétricas, incluindo as nucleares.

Estrutura da armadura térmica e peças metálicas de vários formatos recobertas com ela.
[Imagem: Mengnan Jiang et al.- 10.1038/s41586-021-04307-3]

Armadura térmica estruturada

A armadura térmica consiste em um material multitexturizado formada por elementos que possuem propriedades térmicas e geométricas contrastantes.

O material é formado pela sobreposição de três elementos: (1) pilares salientes, condutores de calor, sobrepostos uns sobre os outros, que servem como pontes térmicas para promover a transferência de calor; (2) uma membrana termicamente isolante, projetada para sugar e evaporar o líquido; (3) e canais internos em forma de U que dispersam o vapor.

Essa armadura térmica estruturada inibe a ocorrência do efeito Leidenfrost até 1.150 °C e oferece um resfriamento eficiente e controlável em toda a faixa de temperatura de 100 °C a mais de 1.150 °C.

"Este projeto de pesquisa multidisciplinar é realmente um avanço em ciência e engenharia, uma vez que mistura ciência de superfície, hidrodinâmica e aerodinâmica, resfriamento térmico, ciência de materiais, física, energia e engenharia. A busca de novas estratégias para lidar com o resfriamento líquido de superfícies de alta temperatura tem sido um dos santos graais da engenharia térmica desde 1756. Tivemos a sorte de fundamentalmente suprimir a ocorrência do efeito Leidenfrost e, assim, proporcionar uma mudança de paradigma no resfriamento térmico líquido em temperaturas extremamente altas, uma missão que permanecia inalcançada até hoje," disse o professor Zuankai Wang.

O professor Wang destacou ainda que as atuais estratégias de resfriamento térmico sob temperaturas extremamente altas adotam técnicas de resfriamento a ar, em vez de resfriamento líquido, mais eficaz, devido à ocorrência do efeito Leidenfrost, especialmente para aplicações em motores aeroespaciais e reatores nucleares de próxima geração. Isso agora tende a mudar.

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