Вы думаете, что видели, как кипит вода? Гравитация вас обманывает. В космосе оно всё работает совсем иначе, и это стало проблемой для инженеров и загадкой для физиков. Вся суть — в одной маленькой детали, которую на Земле просто не замечали.
Наверняка у многих из нас утро начинается одинаково (ну или когда вы там просыпаетесь): бредешь на кухню, нажимаешь кнопку на чайнике и через пару минут заливаешь кипятком кофе или дошик. Привычный, доведенный до автоматизма процесс. Вода забурлила, пузырьки побежали вверх — всё понятно.
mysku.club
Но что, если я вам скажу, что на Земле мы не видим настоящего кипения? Всю картину портит гравитация. Именно она заставляет пузырьки быстро отрываться и улетать, не дав им как следует проявить себя.
Поэтому чтобы увидеть, как кипит жидкость на самом деле, учёные отправили в космос целую лабораторию и впервые в деталях разглядели как всё это работает.
Гравитация, бессердечная ты…
Почему нельзя было спокойно поэкспериментировать на Земле? Всё дело в том, что наша родная гравитация маскирует и искажает тонкие физические эффекты, которые лежат в основе кипения. И всё портит два явления.
На Земле кипение подчиняется силе Архимеда: пузырёк легче жидкости, вот он и всплывает.
При нагреве пузырек увеличивается за счёт выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъёмная сила будет немного больше прижимающей
myslide.ru
Причём настолько стремительно, что учёные просто не успевают как следует их изучить — они слишком мелкие и слишком быстрые. Даже в специальных башнях, где имитируют микрогравитацию на пару секунд, пузыри не успевают ни вырасти, ни показать своё поведение.
Ну а второе явление — естественная конвекция. Тёплые слои жидкости поднимаются, холодные опускаются. Это постоянное перемешивание создаёт в воде температурный хаос, который мешает понять, как тепло распределяется на самом деле.
drax.com
А вот на МКС всего этого нет. Поэтому учёные из Новосибирского государственного университета и Института теплофизики им. Кутателадзе вместе с коллегами из международного проекта RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation) отправили туда специальную установку.
Космический чайник
Итак, устройство RUBI — это такая герметичная ячейка с прозрачными стенками, в которой находится жидкость FC-72 (специальный диэлектрик, применяемый для охлаждения электроники — такой-то намёк на практическое применение). Камеры, лазеры, нагреватели, микротермопары, датчики давления — всё это там тоже есть, само собой.
Экспериментальная установка RUBI
пресс-служба НГУ
Также установка была укомплектована контуром циркуляции жидкости, создающим поток. Имелась возможность устанавливать температуру жидкости, давление, тепловой поток на нагревателе, время между активацией нагревателя и лазерным импульсом, который инициирует образование пузырька. Все это было необходимо, чтобы охватить весь диапазон параметров для построения моделей протекания наблюдаемых процессов.
Фёдор Роньшин
к.ф.-м.н., старший преподаватель Физического факультета НГУ
Учёные с Земли, управляя процессом онлайн, создавали в этой ячейке один-единственный пузырёк. Делали они это с помощью короткого импульса лазера. Затем пузырёк начинал расти на специальном нагревателе, а за ним в четыре глаза следили две камеры: скоростная черно-белая сбоку и инфракрасная снизу, которая видела распределение температуры.
пресс-служба НГУ
Это был первый в истории эксперимент, когда в космосе в абсолютно контролируемых условиях изучали рост одинокого пузыря, которому ничего не мешало.
Пузырь, который не лопнул
И вот тут началось самое интересное. Физики создали условия, в которых пузырёк, по всем законам, должен был быстренько схлопнуться. Но наш пузырь и не думал исчезать. Более того, он остался приклеенным к горячей поверхности и начал расти. И расти. И расти. В итоге он смог раздуться до размеров в несколько сантиметров, прожил десятки секунд и не схлопнулся при этом.
Жидкость вокруг него была недогретой, то есть холоднее температуры кипения, и пар должен был снова сконденсироваться. А вот под самим пузырём обраузется перегретая зона.
ferra.ru
Когда пузырь растет, он, как зонтик, закрывает часть нагревателя от жидкости. Вот и образуется так называемое «сухое пятно» — участок нагревателя, который больше не омывается жидкостью и из-за этого начинает катастрофически перегреваться. Можно понять, что будет с процессором, например, если на нём есть такой вот пузырь.
Понятно, почему в космосе до сих пор не рискуют использовать самые эффективные, двухфазные системы охлаждения (где жидкость кипит и забирает тепло), а обходятся менее продуктивными проточными. Риск перегрева критически важной электроники слишком велик.
Как кипит жидкость при разной гравитации
ESA
В общем, всё это стало неожиданностью: по идее, когда пузырь охлаждается, пар внутри должен конденсироваться, и он должен исчезнуть.
Численные модели предсказывали одно, а в реальности происходило что-то совершенно другое. Учёные заметили, что пузырь может как бы воскресать — рост прекращается, а потом вдруг снова начинается. Чтобы понять, что происходит, физики построили новые модели и нашли виновников — неконденсирующиеся газы, которые всегда есть в жидкости, даже после дегазации.
пресс-служба НГУ
Даже если их всего около 1%, этого хватает, чтобы полностью изменить поведение пузыря. Растворённый газ мешает конденсации пара, а градиент температуры по поверхности пузыря создаёт термокапиллярные потоки Марангони — по сути, жидкость начинает течь вдоль пузыря, перенося тепло от горячего основания к верхушке. В результате пузырь не схлопывается, а продолжает испаряться и расти.
Научно это выглядит как «интенсификация теплоотвода за счёт перераспределения перегретой жидкости вдоль поверхности парового пузыря». По-человечески — газ делает кипение стабильнее, а тепло уходит эффективнее. На Земле этот тонкий эффект просто-напросто задавливается мощными потоками от силы Архимеда и конвекции.
пресс-служба НГУ
Практический выход
Вообще весь этот эксперимент RUBI длился с 2019 по 2021 год. Всё это время учёные управляли установкой с Земли, меняли параметры, запускали лазерные импульсы, собирали гигабайты данных. После завершения установку вернули обратно, и теперь физики из пяти стран анализируют результаты.
Пузырёк, который получили в 20-м году. Он вытянут вверх под действием электростатики
Technical University Darmstadt
Наша группа из НГУ и Института теплофизики уже опубликовала две статьи в международных журналах Physics of Fluids и International Journal of Heat and Mass Transfer. В них подробно разобраны механизмы роста пузыря и влияние растворённых газов. И судя по объёму данных, исследователям хватит материала ещё на пять лет вперёд.
Всё это нужно для того, чтобы создавать системы охлаждения для космических аппаратов, спутников, орбитальных станций, где обычные радиаторы не работают. Если научиться управлять кипением в таких условиях — можно эффективно отводить тепло даже без конвекции и гравитации. Например, проектировать теплообменники так, чтобы «сухое пятно» не возникало или его вовремя устраняли.
Научная группа RUBI на конференции по теплообмену в Кейптауне (ЮАР)
пресс-служба РНФ
Плюс, кипение — это классический пример сложного многоуровневого процесса, где всё влияет на всё. Поэтому RUBI стал идеальной лабораторией для проверки моделей, которые раньше существовали только в формулах.
С помощью этих данных мы сможем прогнозировать процесс роста пузырей в жидкости с любым содержанием растворенных газов, в том числе, в космосе.
Фёдор Роньшин
к.ф.-м.н., старший преподаватель Физического факультета НГУ
Ну а если отбросить все эти академические формулировки, смысл простой: учёные впервые реально увидели, как кипит жидкость без гравитации. Не на словах, не в симуляции, а вживую — на МКС. И это открытие не только про космос, но и про саму физику тепла.
Так что за простой формой пузырьков в вашем чайнике скрываются сложные и красивые явления, и чтобы понять их до конца, иногда нужно отправить на орбиту чайник космический.
Такие дела.