باز کردن قدرت پنهان جوش – برای انرژی، فضا و فراتر از آن

اکثر مردم آب جوش را بدیهی می دانند. برای ماتئو بوچی، دانشیار، کشف فیزیک در پس جوشش یک سفر دهه‌ای پر از چالش‌های غیرمنتظره و بینش‌های جدید بوده است.

مطالعه این پدیده به ظاهر ساده در سیستم‌های پیچیده مانند راکتورهای هسته‌ای بسیار سخت است، و با این حال در هسته طیف وسیعی از فرآیندهای مهم صنعتی قرار دارد. بنابراین باز کردن اسرار آن می تواند پیشرفت هایی را در تولید انرژی کارآمد، خنک کننده الکترونیکی، نمک زدایی آب، تشخیص های پزشکی و موارد دیگر امکان پذیر کند.

بوچی، که در ماه جولای در MIT تصدی خود را به دست آورد، می‌گوید: «جوش برای کاربردهایی فراتر از هسته‌ای مهم است. در 80 درصد نیروگاه هایی که برق تولید می کنند از جوشاندن استفاده می شود. تحقیقات من پیامدهایی برای نیروی محرکه فضایی، ذخیره انرژی، الکترونیک و وظیفه فزاینده مهم خنک کردن رایانه ها دارد.

آزمایشگاه بوچی تکنیک‌های آزمایشی جدیدی را برای پرتاب کردن نور ایجاد کرده است روی طیف گسترده ای از پدیده های جوش و انتقال حرارت که پروژه های انرژی را برای چندین دهه محدود کرده است. مهم‌ترین آن مشکلی است که به‌دلیل شکل‌گیری سریع حباب‌ها به وجود می‌آید که نواری از بخار را در سطحی ایجاد می‌کند که از انتقال بیشتر گرما جلوگیری می‌کند. در سال 1402، بوچی و همکارانش یک اصل وحدت‌بخش حاکم بر این مشکل به نام بحران جوش ایجاد کردند که می‌تواند راکتورهای هسته‌ای کارآمدتر را فعال کند و از شکست‌های فاجعه‌بار جلوگیری کند.

برای بوچی، هر دوره پیشرفت، احتمالات جدیدی را به همراه دارد – و سؤالات جدیدی برای پاسخ به آنها.

“بهترین کاغذ چیست؟” بوچی می پرسد. بهترین مقاله مقاله بعدی است. فکر می کنم آلفرد هیچکاک می گفت مهم نیست آخرین فیلم شما چقدر خوب بوده است. اگر نفر بعدی شما فقیر باشد، مردم آن را به خاطر نمی آورند. من همیشه به دانش آموزانم می گویم که مقاله بعدی ما باید همیشه بهتر از قبلی باشد. این یک سفر مداوم برای بهبود است.»

از مهندسی تا حباب

دهکده ایتالیایی که بوچی در آن بزرگ شد، در دوران کودکی حدود 1000 نفر جمعیت داشت. او با کار در ماشین‌فروشی پدرش و با جدا کردن و سرهم کردن وسایلی مانند ماشین لباسشویی و تهویه مطبوع، مهارت‌های مکانیکی را به دست آورد تا ببیند داخل آن چیست. او همچنین علاقه زیادی به دوچرخه سواری پیدا کرد و در این ورزش شرکت کرد تا اینکه برای تحصیل در مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد به دانشگاه پیزا رفت.

در کالج، بوچی شیفته ماده و منشأ زندگی بود، اما او همچنین به ساختن اشیا علاقه داشت، بنابراین وقتی زمان انتخاب بین فیزیک و مهندسی فرا رسید، به این نتیجه رسید که مهندسی هسته‌ای راه میانه خوبی است.

بوچی می گوید: «من علاقه زیادی به ساخت و ساز و درک چگونگی ساخت اشیا دارم. “مهندسی هسته ای یک انتخاب بسیار بعید اما بدیهی بود. بعید بود زیرا در ایتالیا، هسته‌ای قبلاً از چشم‌انداز انرژی خارج شده بود، بنابراین تعداد ما بسیار کم بود. در عین حال، ترکیبی از چالش‌های فکری و عملی وجود داشت، چیزی که من دوست دارم.»

بوچی برای دکترا به فرانسه رفت و در آنجا با همسرش آشنا شد و رفت روی برای کار در آزمایشگاه ملی فرانسه یک روز رئیس بخشش از او خواست که کار کند روی مشکلی در ایمنی راکتور هسته ای که به عنوان جوش گذرا شناخته می شود. برای حل آن، او می‌خواست از روشی برای اندازه‌گیری استفاده کند که توسط پروفسور MIT Jacopo Buongiorno پیشگام بود، بنابراین کمک مالی دریافت کرد تا در سال 2013 دانشمند مهمان MIT شود.

امروزه آزمایشگاه Bucci در حال توسعه تکنیک های تشخیصی جدید برای مطالعه جوش و انتقال حرارت به همراه مواد و پوشش های جدید است که می تواند انتقال حرارت را کارآمدتر کند. این کار به محققان دیدگاه بی سابقه ای از شرایط داخل یک راکتور هسته ای داده است.

بوچی می‌گوید: «تشخیصی که ما ایجاد کرده‌ایم می‌تواند معادل 20 سال کار تجربی را در یک آزمایش یک روزه جمع‌آوری کند.

این داده ها به نوبه خود، بوچی را به یک مدل بسیار ساده برای توصیف بحران جوش سوق داد.

«اثربخشی جوشاندن process روی بوچی توضیح می دهد که سطح روکش راکتور هسته ای کارایی و ایمنی راکتور را تعیین می کند. “مثل ماشینی است که می خواهید شتاب بگیرید، اما یک حد بالایی وجود دارد. برای یک راکتور هسته‌ای، این حد بالا توسط انتقال حرارت در حال جوش تعیین می‌شود، بنابراین ما علاقه‌مندیم که بدانیم این حد بالا چیست و چگونه می‌توانیم بر آن غلبه کنیم تا عملکرد راکتور را افزایش دهیم.

یکی دیگر از حوزه‌های تحقیقاتی بسیار تاثیرگذار برای Bucci، خنک‌سازی غوطه‌وری دو فازی است process که در آن قسمت های داغ سرور مایع را به جوش می آورد، سپس بخار حاصل متراکم می شود روی یک مبدل حرارتی بالا برای ایجاد یک چرخه ثابت و غیرفعال خنک کننده.

بوچی توضیح می‌دهد: «این تراشه‌ها را با حداقل اتلاف انرژی سرد نگه می‌دارد و مصرف برق و انتشار دی‌اکسید کربن مراکز داده را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد». مراکز داده به اندازه کل صنعت هوانوردی CO2 منتشر می کنند. تا سال 2040، آنها بیش از 10 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای را تشکیل خواهند داد.

حمایت از دانش آموزان

بوچی می‌گوید کار با دانش‌آموزان پر ارزش‌ترین بخش کار اوست. «آنها شور و شایستگی بالایی دارند. کار کردن با افرادی که علاقه ای مشابه شما دارند، انگیزه بخش است.»

بوچی می افزاید: «دانشجویان من هیچ ترسی از کشف ایده های جدید ندارند. آنها تقریباً هرگز در مقابل یک مانع توقف نمی کنند – گاهی اوقات تا جایی که باید سرعت آنها را کاهش دهید و آنها را به عقب برگردانید. روی مسیر.”

بوچی در اداره آزمایشگاه قرمز در دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای، سعی می‌کند به دانشجویان استقلال و همچنین حمایت بدهد.

بوچی می‌گوید: «ما دانش‌آموزان را آموزش نمی‌دهیم، ما به محققان آینده آموزش می‌دهیم. من فکر می‌کنم مهم‌ترین بخش کار ما این است که نه تنها ابزارها را فراهم کنیم، بلکه اعتماد به نفس و نگرش خود را برای رفع مشکلات ایجاد کنیم. این می تواند مشکلات تجاری، مشکلات آزمایش ها، مشکلات با همکاران آزمایشگاه شما باشد.

برخی از آزمایش‌های منحصربه‌فردتری که دانش‌آموزان بوچی انجام می‌دهند از آنها می‌خواهد هنگام سقوط آزاد در هواپیما اندازه‌گیری کنند تا به گرانش صفر برسند.

بوچی که سالی دو بار در این آزمایش به دانش‌آموزان می‌پیوندد، می‌گوید: «تحقیق فضایی فانتزی بزرگ همه بچه‌ها است». “این تحقیقات بسیار سرگرم کننده و الهام بخش برای دانش آموزان است. صفر g دیدگاه جدیدی به شما می دهد روی زندگی.”

استفاده از هوش مصنوعی

بوچی همچنین از گنجاندن هوش مصنوعی در حوزه کاری خود هیجان زده است. در سال 1402، او یکی از دریافت کنندگان پروژه ابتکاری تحقیقاتی چند دانشگاهی (MURI) در علوم حرارتی بود که صرفاً به یادگیری ماشین اختصاص داشت. بوچی با اشاره به وعده‌ای که هوش مصنوعی در حوزه کاری خود دارد، اخیراً مجله‌ای را نیز تأسیس کرده است سیالات حرارتی هوش مصنوعی برای نشان دادن پیشرفت های تحقیقاتی مبتنی بر هوش مصنوعی.

بوچی می گوید: «جامعه ما خانه ای برای افرادی که می خواهند تکنیک های یادگیری ماشینی را توسعه دهند، ندارد. “ما می خواستیم راهی برای افراد در علوم کامپیوتر و علوم حرارتی ایجاد کنیم تا با هم کار کنند تا پیشرفت کنند. من فکر می کنم که ما واقعاً نیاز داریم که دانشمندان کامپیوتر را به جامعه خود بیاوریم تا این کار را تسریع کنیم process بالا.”

بوچی همچنین معتقد است که می توان از هوش مصنوعی استفاده کرد process مجموعه عظیمی از داده‌های جمع‌آوری شده با استفاده از تکنیک‌های تجربی جدیدی که او توسعه داده است و همچنین برای مدل‌سازی پدیده‌هایی که محققان هنوز نمی‌توانند مطالعه کنند.

این امکان وجود دارد که هوش مصنوعی به ما این فرصت را بدهد که چیزهایی را که نمی‌توان مشاهده کرد، درک کنیم، یا حداقل ما را در تاریکی راهنمایی کند که سعی می‌کنیم آن را پیدا کنیم. root بوچی می گوید که دلایل بسیاری از مشکلات است.