حل مشاكل نقل الحرارة المزمنة |أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

هذا سؤال حير العلماء لمدة قرن.ولكن ، مدعوماً بجائزة الخدمة المتميزة المهنية المبكرة من وزارة الطاقة الأمريكية (DoE) البالغة 625 ألف دولار ، يأمل ماتيو بوتشي ، الأستاذ المساعد في قسم العلوم والهندسة النووية (NSE) ، في الاقتراب من الإجابة.
سواء كنت تسخن قدرًا من الماء للمعكرونة أو تصمم مفاعلًا نوويًا ، فإن ظاهرة واحدة - الغليان - أمر بالغ الأهمية لكلا العمليتين بكفاءة.
"الغليان هو آلية فعالة للغاية لنقل الحرارة ؛هذه هي الطريقة التي يتم بها إزالة كمية كبيرة من الحرارة من السطح ، وهذا هو سبب استخدامها في العديد من تطبيقات كثافة الطاقة العالية ، "قال بوتشي.مثال للاستخدام: مفاعل نووي.
بالنسبة للمبتدئين ، يبدو الغليان بسيطًا - تتشكل الفقاعات التي تنفجر ، وتزيل الحرارة.ولكن ماذا لو تشكلت العديد من الفقاعات واندمجت ، مما أدى إلى ظهور خط من البخار يمنع المزيد من نقل الحرارة؟مثل هذه المشكلة هي كيان معروف معروف باسم أزمة الغليان.سيؤدي هذا إلى هروب حراري وفشل قضبان الوقود في المفاعل النووي.لذلك ، "فهم وتحديد الظروف التي يمكن أن تحدث أزمة الغليان في ظلها أمر بالغ الأهمية لتطوير مفاعلات نووية أكثر كفاءة وتنافسية من حيث التكلفة" ، قال بوتش.
تعود الكتابات المبكرة للأزمة المستعرة إلى ما يقرب من قرن قبل عام 1926. وقال بوتشي إنه بينما تم إنجاز الكثير من العمل ، "من الواضح أننا لم نعثر على إجابة".تظل أزمات الغليان مشكلة لأنه على الرغم من وفرة النماذج ، من الصعب قياس الظواهر ذات الصلة لإثباتها أو دحضها.قال بوتشي: "[الغليان] عملية تحدث على نطاق صغير جدًا جدًا وعلى مدى فترة زمنية قصيرة جدًا جدًا"."لا يمكننا مشاهدته بمستوى التفاصيل المطلوب لفهم ما يحدث بالفعل واختبار الفرضيات."
ولكن على مدى السنوات القليلة الماضية ، طور بوتشي وفريقه تشخيصات يمكنها قياس الظواهر المرتبطة بالغليان وتقديم إجابة مطلوبة بشدة لسؤال كلاسيكي.يعتمد التشخيص على طرق قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء باستخدام الضوء المرئي.قال بوتشي: "من خلال الجمع بين هاتين التقنيتين ، أعتقد أننا سنكون مستعدين للإجابة على أسئلة نقل الحرارة على المدى الطويل وأن نكون قادرين على الخروج من حفرة الأرانب".ستساعد منح وزارة الطاقة الأمريكية من برنامج الطاقة النووية هذه الدراسة وجهود بوتشي البحثية الأخرى.
بالنسبة لبوتشي ، الذي نشأ في سيتا دي كاستيلو ، وهي بلدة صغيرة بالقرب من فلورنسا بإيطاليا ، فإن حل الألغاز ليس بالأمر الجديد.كانت والدة بوتش معلمة في مدرسة ابتدائية.كان لدى والده متجر آلات عزز هواية بوتشي العلمية."كنت من أشد المعجبين بـ Lego عندما كنت طفلاً.لقد كان شغفًا ".
على الرغم من أن إيطاليا شهدت انخفاضًا حادًا في الطاقة النووية خلال سنوات تكوينها ، إلا أن الموضوع أثار إعجاب بوتشي.كانت فرص العمل في هذا المجال غير مؤكدة ، لكن بوتشي قررت التعمق أكثر.وقال مازحا: "إذا كان علي أن أفعل شيئًا ما لبقية حياتي ، فهذا ليس جيدًا كما أريد".درس بوتشي الهندسة النووية في المرحلة الجامعية والدراسات العليا في جامعة بيزا.
كان اهتمامه بآليات نقل الحرارة متجذرًا في بحث الدكتوراه الذي عمل عليه في اللجنة الفرنسية للطاقة البديلة والطاقة الذرية (CEA) في باريس.هناك ، اقترح زميل العمل على أزمة الماء المغلي.هذه المرة ، وضع بوتشي نصب عينيه على معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا NSE واتصل بالبروفيسور جاكوبو بونجيورنو للاستعلام عن أبحاث المعهد.كان على Bucci جمع الأموال في CEA للبحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.وصل مع تذكرة ذهاب وإياب قبل أيام من تفجير ماراثون بوسطن عام 2013.ولكن منذ ذلك الحين بقي بوتشي هناك ، وأصبح عالم أبحاث ثم أستاذًا مساعدًا في NSE.
يعترف بوتشي أنه واجه صعوبة في التكيف مع بيئته عندما التحق لأول مرة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، لكن العمل والصداقات مع زملائه - يعتبر Guanyu Su و Reza Azizyan من NSE أفضل أصدقائه - ساعد في التغلب على الهواجس المبكرة.
بالإضافة إلى تشخيص الغليان ، يعمل بوتشي وفريقه أيضًا على طرق للجمع بين الذكاء الاصطناعي والبحث التجريبي.وهو يعتقد اعتقادًا راسخًا أن "دمج التشخيصات المتقدمة والتعلم الآلي وأدوات النمذجة المتقدمة سيؤتي ثماره في غضون عقد من الزمن".
يعمل فريق Bucci على تطوير مختبر مستقل لإجراء تجارب نقل حرارة الغليان.بدعم من التعلم الآلي ، يقرر الإعداد التجارب التي سيتم إجراؤها بناءً على أهداف التعلم التي حددها الفريق.قال بوتشي: "نحن نطرح سؤالاً ستجيبه الآلة عن طريق تحسين أنواع التجارب اللازمة للإجابة على هذه الأسئلة"."أعتقد بصدق أن هذه هي الحدود التالية التي تغلي."
قال بوتش عن حماسه لإجراء مزيد من البحث في هذا المجال: "عندما تتسلق شجرة وتصل إلى القمة ، تدرك أن الأفق أوسع وأكثر جمالًا".
حتى في سعيه للوصول إلى آفاق جديدة ، لم ينس بوتشي من أين أتى.لإحياء ذكرى استضافة إيطاليا لكأس العالم لكرة القدم عام 1990 ، تظهر سلسلة من الملصقات ملعب كرة القدم داخل الكولوسيوم ، وهو يحتل مكان الصدارة في منزله ومكتبه.هذه الملصقات ، التي ابتكرها ألبرتو بوري ، لها قيمة عاطفية: الفنان الإيطالي (المتوفى الآن) كان أيضًا من مسقط رأس بوتشي ، سيتا دي كاستيلو.