L’eau est souvent bouillie, qu’il s’agisse d’une tasse de thé infusée dans une cuisine ou d’une centrale électrique produisant de l’électricité. Toute amélioration de l’efficacité de ce processus aura un impact énorme sur la quantité globale d’énergie utilisée chaque jour.
Une de ces améliorations pourrait venir d’un traitement nouvellement développé pour les surfaces impliquées dans le chauffage et l’évaporation de l’eau. Le traitement améliore deux paramètres clés qui déterminent le processus d’ébullition : le coefficient de transfert de chaleur (HTC) et le flux de chaleur critique (CHF).
La plupart du temps, il y a un compromis entre les deux – à mesure que l’un s’améliore, l’autre empire. Après des années d’enquête, le terme de recherche derrière la technique a trouvé un moyen d’améliorer les deux.
“Les deux paramètres sont importants, mais l’amélioration des deux paramètres ensemble est assez délicate car ils ont un compromis intrinsèque”, explique le scientifique en bioinformatique Youngsup Song du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie.
“Si nous avons beaucoup de bulles sur la surface d’ébullition, cela signifie que l’ébullition est très efficace, mais si nous avons trop de bulles sur la surface, elles peuvent fusionner, ce qui peut former un film de vapeur sur la surface d’ébullition.”
Tout film de vapeur entre la surface chaude et l’eau introduit une résistance, abaissant l’efficacité du transfert de chaleur et la valeur CHF. Pour contourner le problème, les chercheurs ont imaginé trois types différents de modification de surface.
Tout d’abord, une série de microtubes sont ajoutés. Ce réseau de tubes de 10 micromètres de large, espacés d’environ 2 millimètres, contrôle la formation de bulles et maintient les bulles épinglées aux cavités. Cela évite la formation d’un film de vapeur.
En même temps, il réduit la concentration de bulles à la surface, réduisant ainsi l’efficacité de l’ébullition. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont introduit un traitement à plus petite échelle comme deuxième modification, en ajoutant des bosses et des crêtes de quelques nanomètres à la surface des tubes creux. Cela augmente la surface disponible et favorise les taux d’évaporation.
Enfin, les micro-cavités étaient logées au centre d’une série de piliers à la surface du matériau. Ces piliers accélèrent le processus de soutirage du liquide en ajoutant plus de surface. En combinaison, l’efficacité d’ébullition est considérablement augmentée.
(Song et al.)
Ci-dessus : une vidéo ralentie de l’installation des chercheurs montre de l’eau bouillante sur une surface spécialement traitée qui provoque la formation de bulles à des points spécifiques distincts.
Comme les nanostructures favorisent également l’évaporation sous les bulles et que les piliers maintiennent un apport constant de liquide à cette base de bulles, une couche d’eau entre la surface d’ébullition et les bulles peut être maintenue, ce qui améliore le flux de chaleur maximal.
“Montrer que nous pouvons contrôler la surface de cette manière pour obtenir une amélioration est une première étape”, déclare l’ingénieure en mécanique Evelyn Wang du Massachusetts Institute of Technology. “Ensuite, la prochaine étape consiste à réfléchir à des approches plus évolutives.”
“Ces types de structures que nous fabriquons ne sont pas destinés à être mis à l’échelle dans leur forme actuelle.”
Transformer le travail d’un laboratoire à petite échelle en quelque chose qui peut être utilisé dans les industries commerciales ne sera pas si simple, mais les chercheurs sont convaincus que cela peut être fait.
Un défi va être de trouver des moyens de créer les textures de surface et les trois “niveaux” de modifications. La bonne nouvelle est qu’il existe différentes approches qui peuvent être explorées, et la procédure devrait également fonctionner pour différents types de liquides.
“Ce genre de détails peut être modifié, et cela peut être notre prochaine étape”, déclare Song.
La recherche a été publiée dans Advanced Materials.
