Marco Graffiedi.

Van een onzer correspondenten.

Hoe koel je een kernreactor of een brandstoftank in de ruimte efficiënt genoeg om oververhitting of drukopbouw te voorkomen? De oplossing blijkt deels te liggen in een eeuwenoud natuurkundig verschijnsel: quenching – het extreem snelle afvoeren van warmte door contact tussen een heet oppervlak en een koelvloeistof.

Aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) onderzoekt Marco Graffiedi, promovendus aan het Department of Nuclear Science and Engineering, hoe dit proces op microschaal werkt. Zijn bevindingen moeten bijdragen aan zowel veiliger nucleair koelen op aarde als betrouwbare cryogene brandstofopslag in de ruimte. Dat schrijft ingeneers.nl.

Quenching is een krachtig warmteoverdrachtsmechanisme: het brengt hete oppervlakken razendsnel terug naar een veilige temperatuur. Maar in extreme omgevingen – zoals in kerncentrales of aan boord van ruimtevaartuigen – bepaalt de efficiëntie van dit proces letterlijk het verschil tussen succes en falen.

Een van de grootste uitdagingen is het Leidenfrost-effect. Zodra een cryogene vloeistof, zoals vloeibare stikstof of waterstof, in contact komt met een heet oppervlak, vormt zich eerst een dun dampkussen. Dat werkt als isolator, waardoor verdere afkoeling wordt vertraagd. Graffiedi onderzoekt hoe dit dampfilmpje gecontroleerd kan worden afgebroken, zodat warmte sneller wordt afgevoerd.

‘Als je die fase-overgang beter begrijpt en kunt sturen,’ zegt Graffiedi, ‘openen zich mogelijkheden om quenching effectiever te maken – niet alleen voor kernenergie, maar ook voor ruimtevaart en elektronica.’

De fascinatie voor natuurkundige verschijnselen begon vroeg. Opgegroeid in een dorpje tussen Florence en Bologna kreeg Graffiedi van zijn ouders volop ruimte om te experimenteren. Op zijn veertiende bouwde hij een passief hydraulisch systeem om dieren van water te voorzien – een constructie die nog steeds werkt.

Na zijn middelbare school in Lugo koos Graffiedi voor werktuigbouwkunde aan de Università di Pisa en de Scuola Superiore Sant’Anna. Zijn onderzoek varieerde van zonne-energie en breukmechanica tot thermische karakterisering van supergeleidende coatings bij Fermilab in de VS.

Een periode als test engineer bij GE Oil & Gas gaf hem praktische ervaring met gasturbines, maar hij miste de diepgang van fundamenteel onderzoek. Zo kwam hij terecht bij het Department of Nuclear Science and Engineering van het MIT, waar hij zijn mechanische achtergrond inzet binnen de nucleaire warmteoverdracht. Hij won onder meer de Manson Benedict Award voor uitmuntende academische prestaties in nucleaire techniek. .Zijn onderzoek wordt gesteund door Nasa.

De toepassingen van Graffiedi’s onderzoek zijn breed. Voor Nasa ligt de focus op het voorkomen van koken van cryogene brandstoffen. Zodra deze vloeistoffen gaan koken, moet het ontstane gas worden afgeblazen om overdruk te vermijden – een risico dat quenching kan helpen verminderen. In kernreactoren kan beter begrip van quenching bijdragen aan efficiëntere noodkoeling van de reactorkern.

In datacenters en elektrische aandrijfsystemen onderzoekt Graffiedi hoe koken en quenching kunnen worden benut voor geavanceerde immersiekoeling met diëlektrische vloeistoffen. Een belangrijke parameter daarbij is de Critical Heat Flux (CHF) – het maximum aan warmteflux waarbij koken nog effectief is. Omdat diëlektrische vloeistoffen een lagere CHF hebben dan water, test Graffiedi manieren om deze grens te verhogen, onder andere met behulp van sterke elektrische velden. Zijn resultaten verschenen in Applied Thermal Engineering.

Het werk van Graffiedi illustreert hoe klassieke fysische principes – koken, dampvorming, warmteoverdracht – opnieuw betekenis krijgen in moderne technologieën.

‘De onderliggende natuurkunde is oud,’ zegt hij, ‘maar de omstandigheden waarin we die nu toepassen – microzwaartekracht, cryogene brandstoffen, elektronische chips – zijn volledig nieuw. Daarin ligt de uitdaging én de schoonheid van techniek.’

***

Bron hier. 

***