Такого прорыва добились ученые Физического факультета Новосибирского государственного университета и Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, работая в составе одной из научных групп масштабного международного проекта RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation).
Международный масштабный проект провела на борту МКС международной научная группа под эгидой Европейского космического агентства. Для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, ученые создали и доставили на борт МКС установку многомасштабного кипения Reference mUltiscale Boiling Investigation (RUBI).
Провести этот эксперимент на Земле не представлялось возможным, потому что гравитация на нашей планете маскирует ключевые физические механизмы — пузыри быстро отрываются и уносятся силой Архимеда, а естественная конвекция существенно влияет на распределение температуры в жидкости. Благодаря невесомости, МКС стала идеальной «лабораторией», позволившей пузырям оставаться на нагревателе и расти до необычных в «земных» условиях размеров.
Она обеспечивает особенно хорошую среду для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, и задействованных в этом механизмов. Это был первый подобный эксперимент с одиночным паровым пузырем на искусственном центре парообразования в тщательно контролируемых условиях на МКС, когда пузырек растет до больших размеров без отрыва и в отсутствии естественной конвекции.
«Процесс кипения используется во многих промышленных приложениях для устройств преобразования вещества и энергии. Также мы можем наблюдать его и в природе — например, в геотермальных гейзерах или при извержении вулканов. Исследований процесса кипения в науке было проведено огромное множество, но при этом учеными рассматривались интегральные параметры кипения, имеющие решающее значение для инженерных задач. Как элементарный процесс кипения можно рассматривать и рост отдельного пузырька, поэтому для детального изучения механизмов кипения целесообразно сосредоточиться именно на отдельных пузырьках. Ранее в невесомости этого никто не делал ввиду сложности самого процесса. Сложность состоит в том, что физика кипения зависит от многих факторов, и, несмотря на многочисленные длительные исследования, до сих пор нет полного понимания всех многомасштабных явлений. Внести ясность в их понимание могут как раз эксперименты в условиях невесомости. В невесомости пузырьки могут увеличиваться в размерах без преждевременного отрыва. Таким образом, можно наблюдать явления кипения в больших пространственных и временных масштабах с лучшим разрешением. В то же время кипение в условиях невесомости само по себе является предметом исследования, важным для космических миссий», — объяснил старший преподаватель Физического факультета НГУ Федор Роньшин.
Добиться условий, близких к невесомости, можно и на Земле, используя кратковременные платформы невесомости. Изначально ученые использовали наземные сооружения — башни сбрасывания, затем параболические полеты и зондирующие ракеты. Но для исследования образования пузырьков при кипении жидкости этих возможностей было явно недостаточно ввиду того, что условия невесомости создавались лишь на несколько секунд или минут, а в данном случае требовались более продолжительные отрезки времени, которые достижимы только на Международной космической станции (МКС).
Именно здесь благодаря стабильным условиям невесомости существует возможность проводить продолжительные эксперименты. Невесомость обеспечивает особенно хорошую среду для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, и задействованных в этом механизмов.
Для формирования одиночного парового пузыря на искусственном центре парообразования использовался кратковременный (20 миллисекунд) импульс лазера. Далее пузырь уже растет под действием джоулева нагрева. Этот процесс и происходил внутри ячейки. Установку оснастили микротермопарами, которые можно было поместить в различные места камеры, чтобы определить распределение температуры в жидкости.
Также ученые предусмотрели возможность исследовать влияние сдвигового потока, с помощью которого можно было удалять пузыри. Кроме того, в камере имелся электрод, создающий электрическое поле, под действием которого пузырь мог отрываться от подложки (аналог силы Архимеда на Земле).
«Пока наше исследование сосредоточено на результатах эксперимента по росту одиночного пузырька, с особым вниманием к влиянию недогрева жидкости (разницы температуры насыщения с температурой жидкости). Оно позволяет лучше понять динамику роста одиночного парового пузырька в условиях невесомости, уделяя особое внимание роли растворенных (неконденсирующихся) газов. Экспериментальные результаты подтверждаются численным моделированием на основе разработанной модели. Некоторые наблюдаемые явления, такие как отсутствие схлопывания пузырька и последующее возобновление его роста, оказались труднообъяснимыми без предположения о наличии неконденсирующихся газов, несмотря на тщательную дегазацию рабочей жидкости. Модель была соответствующим образом модифицирована для проверки такой картины явления, которая включала термокапиллярную конвекцию Марангони, вызванную растворенными газами в жидкости. Мы установили, что в нашем случае наличие даже небольшого количества растворенных газов (~1%) после тщательной дегазации положительно влияет на теплоотдачу за счет того, что перегретая жидкость распределяется вдоль пузырька, движется от нагревателя к верхней части пузыря и он не конденсируется, а продолжает испаряться и растет быстрее. При этом тепло отводится эффективнее», — отметил Федор Роньшин.
В результате проведения экспериментов на борту Международной космической станции с использованием установки RUBI в сочетании с передовым численным моделированием ученые модифицировали численную модель для учета неконденсирующихся газов и термокапиллярных эффектов, что хорошо согласовалось с экспериментальными наблюдениями. Учет этих факторов устранил расхождения между случаями недогрева.
Исследователи пришли к выводу, что присутствие неконденсирующихся газов внутри пузырька существенно влияет на его выживаемость и динамику роста, обеспечивая сохранение пузырька даже в условиях относительно высокого недогрева, при котором чистые паровые пузырьки схлопнулись бы. Они отметили, что термокапиллярная конвекция, обусловленная градиентами температуры вдоль поверхности пузырька, вызванными наличием неконденсирующихся газов, усиливает тепло- и массоперенос вблизи границы раздела. Это явление способствует интенсификации испарения у основания пузырька и снижает интенсивность конденсации у его вершины, способствуя его устойчивому росту.
«В „земных“ условиях влияние растворенных газов в жидкости может подавляться естественной конвекцией. При невесомости этого не происходит и их проявление в целом положительно влияет на процесс роста пузыря. Мы выяснили, что, варьируя содержание растворенных газов в жидкости, можно влиять на процессы формирования и роста пузыря. С помощью этих данных мы сможем прогнозировать процесс роста пузырей в жидкости с любым содержанием растворенных газов, в том числе, в космосе», — подытожил Федор Роньшин.
Изучение роста пузыря в условиях невесомости без воздействия внешних сил является лишь частью исследования, которая на данный момент завершена. Однако эксперимент RUBI этим не ограничивался. Теперь ученым предстоит исследовать его в более сложных условиях — например, при воздействии электрического поля, при реализации метода удаления пузырей, при разной интенсивности электрического поля.
Данных, поступивших с МКС, по мнению Федора Роньшина, хватит еще как минимум на пять лет работы. А полученные результаты будут иметь как фундаментальное значение для физики тепломассообмена и кипения, так и прикладное — они позволят создать более эффективные системы охлаждения для космических аппаратов и орбитальных станций, где кипение является перспективным методом отвода высоких тепловых потоков в условиях невесомости.
В ведущих международных журналах опубликованы две статьи, представляющие детальный анализ этих уникальных экспериментов — первая статья, вторая статья. Данные исследования проводились при поддержке Российского научного фонда.
