Nanomagija: miltelių teikiama energijos taupymo galia

Dešimto dešimtmečio pradžioje inžinieriai padarė svarbų atradimą: pridėjus nanometro dydžio eilės dalelių į skystį, šis ima pernešti šilumą daug efektyviau, nei kas nors tikėjosi. Tai buvo jaudinančios naujienos. Mechanizmų aušinimas yra labai brangus verslas, energetikos pramonėje, motorinėse transporto priemonėse ir visokiausiuose elektronikos įrenginiuose. Aušinimo pagerėjimas vos keliais procentais potencialiai galėtų sutaupyti milijardus. Atrodė, nanomilteliai uždirbs ir sutaupys milijardus.

Nevienareikšmiai rezultatai greitai privertė ekspertus kasytis pakaušius ir džiugesys užleido vietą sumišimui. Praėjus 20 metų nuo šio efekto atradimo, pradeda rastis pirmieji komerciniai jo panaudojimai. Kodėl toks delsimas? Ir ar gali nanodalelių aušalai įgyvendinti savo pažadą?

Istorija prasidėjo 1993 m., kai Hidetoshi Matsuda ir jo komanda iš Tohoku universiteto Sendai mieste paskelbė įdomius rezultatus japoniškame žurnale Netsu Bussei. Jie atrado, kad vandens šiluminį laidumą – gebėjimą perduoti šilumą – galima padidinti, pridedant nanometro dydžio aliuminio ir titano oksidų dalelių. Įdomu, kad kuo daugiau šių dalelių buvo įmaišoma, tuo labiau didėjo skysčio karščio pernešimo geba.

Tai nebuvo vien akademinis interesas. Įtaisai, pernešantys šilumą iš vienos vietos į kitą gyvybiškai svarbūs daugybėje technologijų – nuo automobilių radiatorių sistemų ir oro kondicionierių šaldymo sistemų iki kompiuterių procesorius aušinančių metalinių plokštelių. Bet koks pagerinimas, koks mažas bebūtų, galėtų smarkiai sumažinti kaštus.

Kitame pasaulio gale, Stephenas Choi'us Argonne'o Nacionalinėje laboratorijoje netoli Čikagos, mokėjęs skaityti japoniškai, aptiko Matsuda'os straipsnį. Choi'us ir jo kolega Jeffas Eastmanas irgi stebėjo šį keistą efektą. Jie nusileido Matsuda'ai paskelbimo lenktynėse, bet dabar nusprendė ištirti šių medžiagų teikiamus privalumus. Choi'us šiems skysčiams netgi sugalvojo terminą – nanoskysčiai.

Inžinieriai jau buvo išbandę metalų miltelius, kaip skystų aušalų priedus. Tokių metalų, kaip varis, šiluminis laidumas šimtus kartų geresnis nei vandens, tad atrodė savaime suprantama, kad tokie priedai turėtų padėti pernešti daugiau karščio. Tačiau eksperimentai su mikrometro dydžio dalelėmis buvo nesėkmingi – grūdeliai nusėsdavo, nebent skystis būdavo įnirtingai maišomos. Dar blogiau, cirkuliuodami jie kenkdavo aušinimo sistemai, – greičiau dildavo vamzdžiai ir dėvėdavosi siurbliai bei guoliai.

Didelės viltys

Čia išryškėja nanodalelių pranašumas. Jos pakankami mažos, kad liktų pakibusios skystyje, o kadangi jų dydis daugmaž toks, kaip didelės molekulės, negadinami siurbliai. Kartu su įdomiomis cheminėmis savybėmis ir didžiuliu paviršiaus plotu nanodalelės tikriausiai galėtų pasiūlyti naują aušinimo sprendimą.

Taigi, kai Choi'us ir Eastmanas pridėjo šiek tiek vario nanodalelių į etilenglikolį – dažnai automobilių aušinimui naudojamą skystą aušalą – jie išmatavo 40 % pagerėjusį skysčio šiluminį laidumą. Vario oksido dalelės vandenyje pasirodė dar geriau, bet įspūdingiausias rezultatas buvo, kai Choi'us pridėjo anglies nanovamzdelių į silikoninę alyvą, pagerindamas skysčio šiluminį laidumą 160 %. Tai buvo nuostabu. „Mes netgi sulaukėme skambučių iš Formulės-1 lenktynių komandų“, norinčių žinoti, ar nanoskysčiai suteiktų jiems pranašumą prieš varžovus, efektyviau aušindami variklius, prisimena Eastmanas. „Tai sujaudino daug žmonių.“

Entuziazmą gretai pakeitė sąmyšis. Vieniems tyrėjams stebint nanodalelių gerinamą šilumos laidumą, kiti pranešė nestebį jokio poveikio. Keletas netgi teigė, kad šilumos laidumas suprastėjo. „Jie nesugebėjo pakartoti duomenų,“ sako Thomasas McKrellis, nanomedžiagų specialistas iš MIT. Tad tyrėjai pradėjo kurti naują efekto fizikinį mechanizmą.

Amžiaus senumo teorija, sukurta škotų fiziko Jameso Clerko Maxwello, aiškina, kaip skystis praleidžia šilumą, jeigu yra jame skendinčių dalelių. Modelis numato, kad šilumos laidumas kinta tiesiškai, imant domėn abiejų medžiagų individualų šiluminį laidumą, o dalelių dydis ar temperatūra jo neveikia. Tačiau į skystį pridedant nanomedžiagų, rezultatai dažnai neatitiko modelio. Ryškėjo viliojanti perspektyva, kad nanomasteliu pasireiškia kažkoks egzotiškas veikimas. Tačiau koks?

Kai kurie spėjo, kad atsitiktinės Brauno judėjimo fluktuacijos verčia daleles trankytis vienai į kitą, taip perduodant šiluminę energiją. Kadangi nanodalelės tokios mažos, jos dažniau susidaužia. Kiti kėlė mintį, kad nanodalelės sukimba ir per tokias santalkas karštis dali keliauti greičiau. O gal skystis apie kiekvieną dalelę suformuoja tvarkingą sluoksnį ir šios struktūros padeda perduoti šilumą?

Ginčai tęsėsi iki 2007 m., kai inžinierius Jacopo'as Buongiorno'as su kolegomis iš MIT nusprendė, kad to jau pakaks. Jie nusprendė išspręsti paslaptį, pavesdami komandoms iš viso pasaulio pakartoti identiškus nanoskysčių eksperimentus. Trisdešimt keturi tyrimų institutai, nuo Tokijo iki Teksaso buvo įtraukti į šiuos eksperimentus ir tikrino tuos pačius pavyzdžius, pagal tokį patį protokolą ir tada 2009 m. susirinko Beverley Hillse, Kalifornijoje, rezultatų sulyginimui.

Išryškėjęs vaizdas atrodė kaip smūgis manantiems, kad nano yra stebuklo sinonimas. „Buvo pasiektas konsensusas, kad šiluminį laidumą gali apibūdinti įprastinė teorija,“ sako Buongiorno – atrodo, Maxwello modelis veikia netgi tokiu mažu masteliu.

Tai iš kur tada sąmyšis? Pasirodė, kad kiekviena tyrėjų grupė ne tik turėjo savo mėgiamiausią nanomedžiagą – nuo titano ir aliuminio oksido iki silicio karbido, anglies nanovamzdelių ir vario, – kai kurie pridėdavo dispergentų, tokių, kaip paviršinio aktyvumo medžiagos, kad nanodalelės skendėtų tirpale. Kiti šių medžiagų vengdavo. Rezultatus galėjo paveikti netgi kažkas tokio paprasto, kaip skysčio maišymo būdas, pažymi Wenhua Yu ir Argonne'o. Atrodė, byla užversta.

Ne taip greitai, sako Yulongas Dingas, studijuojantis nanoskysčius Leedso universitete, JK. „Istorija dar nebaigta.“ Jis sako, kad bandymai su skendinčiais pavyzdžiais teberodo įspūdingus aušinimo rezultatus, kurių vien Maxwello modelis paaiškinti negali. Pavyzdžiui, vienas 2008 m. JAV Nacionaliniame standartų ir technologijų institute Gaithersburge atliktas tyrimas parodė, kad pridėjus vario oksido nanodalelių į aušiklį, šio šilumos perdavimas beveik patrigubėjo.

Paslaptis sraute

Paaiškinimas gali slypėti tarptautiniuose matavimo eksperimentuose. Jie matavo šiluminį laidumą, naudodami mažus nanoskysčių pavyzdžius uždaruose induose. Bet šilumos perdavimas priklauso ir nuo energijos mainų judančiame ir tekančiame skystyje. O čia nanoskysčiai elgiasi gana neįprastai – kitaip, nei daugumos skysčių, jų klampumas gali kisti netiesiškai, priklausomai nuo tekėjimo greičio.

Tokia savybė gali būti ypatingai svarbi plonuose šilumokaičių vamzdžiuose. Ten, kur srautas susiliečia su vamzdžio sienele, trintis jį sulėtina ir sukuria vangaus ar išvis statiško skysčio sluoksnį. Jei sluoksnis santykinai storas, jis gali veikti kaip izoliatorius ir pabloginti karščio perdavimą, sako Buongiorno'as, bet įtaria, kad nanodalelės kažkaip suplonina šį sluoksnį ir taip padeda paspartinti įtekantį ir ištekantį iš vamzdžių karščio srautą. Jis pabrėžia, kad tai tik hipotezė, tačiau ji gali paaiškinti anomalius rezultatus.

Buongiorno'o teorija gali būti geroji naujiena norintiems įdarbinti nanoskysčius. Tarkime, šilumokaičio prototipas, pastatytas Thermacore iš Lancasterio, Pennsylvania'oje, kartu su europietišku projektu NanoHex. Bandymuose įrenginio aušinimo energijos kaina buvo dvigubai mažesnė. Siekdamas sukurti nanoskystį įrenginiui, Davidas Mullenas iš Thermacore bendradarbiauja su ITN Nanovation Saarbrückene, Vokietijoje. Planuojama, kad galiausiai komercinis produktas bus naudojamas duomenų centruose, sparčiai didinančiuose išskiriamo CO₂ dalį – 2008 metų tyrimas, atliktas vadybos konsultavimo firmos McKinsey prognozuoja, kad iki 2020 metų dėl duomenų centrų naudojamos energijos gamybos išskiriamo CO₂ dalis aplenks aviacijos emisijas.

Pasak Dingo, tebėra didelių problemų, kurias būtina išspręsti. Dar nėra aišku, ar nanodalelės nanoskysčiuose kibs prie vidinių vamzdžio sienelių po ilgo naudojimo. Bet dar svarbiau, nanodalelės daro skystį klampesnį. Tai reiškia, kad bet kokius karščio perdavimo pranašumus gali nusverti papildoma energija, kurios reiks, cirkuliuojant tirštesnį skystį aušinimo sistemoje.

Inžinieriai dabar stengiasi išsiaiškinti, ar tai gali tapti neįveikiama kliūtimi. Kol kas ženklai geri: pavyzdžiui, 2010-aisiais Kinijos tyrimo komanda, vadovaujama Shengshan Bi iš Xi'an Jiaotong universiteto pakeitė buitinio šaldytuvo įprastą aušalą į turintį titano dioksido nanodalelių. Nepaisant didesnio klampumo, šaldytuvas naudojo maždaug 10 procentų mažiau energijos. Panašūs rezultatai gauti ir kitais tyrimais. Pasak Geoffo Smytho, JK Anglies tresto technologijų vadovo, toks našumas galėtų būti ženklus. Vien JK žmonės išleidžia 1,2 milijardus svarų už energiją maisto ir gėrimų šaldymui. Padarius šaldytuvus ir šaldiklius dešimčia procentų efektyvesnius, kasmet būtų galima sutaupyti 195 milijonus svarų sterlingų ir 710 000 tonų anglies dioksido, pažymi jis.

Be to, eksperimentai su oro kondicionieriais rodo, kad nanoskysčiai galėtų padėti sutaupyti iki trečdalio energijos. Padidinus aušintuvo efektyvumą vos 1 procentu, vien JAV būtų sutaupoma 320 GWh elektros energijos, o tai sumažintų nacionalinę sąskaitą už elektrą daugiau, nei 3 milijardais dolerių ir nebūtų išskiriama apie 150 milijonų tonų CO₂ kasmet.

Nanoskysčiai ne tik galėtų padėti taupyti elektrą, bet ir efektyvinti jos gamybą. Dauguma elektrinių naudoja karštį vandens vertimui garais, bet jei kaitinimo elementai pasidaro per karšti, skystis aplink juos ima virti. Burbuliukai veikia kaip izoliacija, o kai jie pasidaro pernelyg dideli ar burbuliukų sluoksnis sustorėja, kaitinimo procesas sulėtėja. Vadinamajame kritinio karščio srauto taške, kaitintuvo paviršiaus temperatūra sparčiai kyla, kadangi karščiui nėra kur dingti, paaiškina McKrellas. Šiame taške energija gali išsilaisvinti sprogimu, keliančiu rimtą grėsmę įrangai.

Pasirodo, nanodalelės gali padėti palaikyti karščio srautą. Tyrimai rodo, kad jos nusėda ant kaitintuvo paviršiaus ir kažkaip pakeičia paviršiaus ir supančio skysčio sąveiką. Tikslus mechanizmas tebėra mįslė, bet rezultatas aiškus: nanoskysčiai pakelia kritinio karščio srauto ribą. Tai gali būti itin naudinga branduoliniuose reaktoriuose. Kai viršijamas aušalo kritinis karščio srautas, reaktorius ima lydytis. Siekdamas padėti suprasti, kaip nanoskysčiai galėtų užkirsti tam kelią, Buongiorno'as bendradarbiauja su Prancūzijos branduolinės energijos kompanija Areva. Jei įvyktų toks incidentas, jis siūlo reaktorių užlieti ir greitai atvėsinti nanoskysčiu iš slėginės talpos. Dar jis siūlo nanoskysčių pridėti į įprastinius reaktorių aušalus, o tai leistų reaktoriui saugiai veikti šiek tiek didesne galia. „Išsiaiškinome, kad nanoskysčiai padidina kritinį karščio srautą maždaug 9 procentais,“ sako McKrellas – nors kai kurie tyrėjai šį skaičių tvirtina esant netgi 200 %.

Argonne'e irgi peržiūri idėją, pirmiausiai tirtą Choi'aus ir Eastmano. Prieš keletą metų Jules'is Routbortas pademonstravo alternatyvą skystam aušalui, naudojamam automobilių aušinimo radiatoriuose. Tai buvo nanoskystis, kuriame esančios grafito dalelės padidino šiluminį laidumą įspūdingais 50 procentų. Pernai miręs Routbortas teigė, kad taip būtų eliminuojama būtinybė įrengti antrą šilumokaitį, dažnai naudojamą automobiliuose elektroninių įrenginių aušinimui. Dėl to palengvėtų variklis ir automobilio naudojimo finansinė našta. Inžinierius Calvinas Li iš Villanova'os universiteto Pennsylvania'ijoje skaičiuoja, kad padidinus aušinimo efektyvumą vos 15 procentų, vien JAV per metus sutaupytų 2,9 milijardus tonų degalų. Energijos kompanija Chevron pradėjo nanoskysčių bandymus automobilių varikliuose, sako Li.

Tačiau nanoskysčiai keliuose pasirodyti gali dar negreit. Automobilio aušinimo skysčio pakeitimas nanoskysčiu atsieitų šimtus dolerių.

Be to, reikia nepamiršti galimo poveikio aplinkai. Varvantys automobilių radiatoriai kasmet vien JK išlaisto tūkstančius tonų aušinimo skysčio, tačiau nanodalelių poveikis žmonių sveikatai dar nėra visiškai suprastas.

Nanoskysčių svajonė gal dar neišsipildė, sutinka Buongiorno'as, bet yra svarių priežasčių manyti, kad du sunkaus darbo dešimtmečiai nenuėjo veltui. Šių medžiagų ateitis šviesi, sako jis. „Gal metai kiek prislopino spindesį,“ prideda jis, „bet dabar, kai jis nekliudo, gali prasidėti tikras darbas.“

Katharine Sanderson
New Scientist, № 2924