El profesor utiliza rayos de plasma para enfriar los dispositivos electrónicos a bordo de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Tom Cogill/UVA

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Investigadores de la Universidad de Virginia han descubierto una manera de enfriar los componentes electrónicos de alta gama de los aviones militares mediante rayos de plasma. El equipo dirigido por Patrick Hopkins, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la universidad, está convirtiendo la ciencia ficción en realidad con su trabajo, según un comunicado de prensa.

Con los crecientes avances tecnológicos, los equipos militares también están repletos de componentes electrónicos de alta gama. Las armadas de todo el mundo están utilizando agua en sus sistemas de refrigeración, mientras que el aire denso ayuda a enfriar los equipos rápidamente en la Tierra.

Para la Fuerza Aérea, sin embargo, esto ha sido un desafío debido al aire enrarecido en el que opera. Las capas superiores de la atmósfera no tienen mucho aire para facilitar el enfriamiento y los aviones no pueden llevar el peso extra de refrigerantes a bordo. El equipo de Hopkins ha encontrado una solución ligera y práctica al problema y es el uso de plasma.

El plasma, el cuarto estado de la materia, se crea cuando se energizan los gases. En este estado, los electrones del elemento gaseoso abandonan sus órbitas nucleares y la materia puede liberar fotones, iones o incluso electrones en un flujo. Estos se pueden visualizar en forma de un rayo o un relámpago.

Hace unos años, Hopkins y su colaborador en el Laboratorio de Investigación de la Marina de los EE. UU., Scott Walton, hicieron un descubrimiento sorprendente. Cuando dispararon un chorro de plasma púrpura creado con helio sobre una superficie chapada en oro, descubrieron que primero enfriaba el objeto antes de calentarlo. Este fenómeno nunca se había observado antes y los investigadores tuvieron que repetir sus experimentos en múltiples ocasiones para confirmar que sus observaciones eran correctas.

Después de sus múltiples observaciones, los investigadores determinaron que el enfriamiento probablemente fue el resultado del desprendimiento de una capa superficial ultrafina de moléculas de agua y carbono que era difícil de ver pero que existía en la superficie del objeto. Al igual que la transpiración de nuestra piel, que utiliza energía de nuestro cuerpo para evaporarse y enfriarlo, esta capa de moléculas utiliza energía del plasma para enfriar el objeto.

Tom Cogill/UVA

Hopkins imagina que este enfriamiento instantáneo podría implementarse en aviones donde un brazo robótico podría entrar en acción sobre áreas donde las temperaturas aumentan y enfriarlas instantáneamente con breves ráfagas de rayos de plasma. Esto sería una mejora importante con respecto a la "placa fría" que se utiliza actualmente para quitar el calor de los componentes electrónicos en aplicaciones aéreas y espaciales.

A la Fuerza Aérea de EE.UU. le gusta el concepto y ha concedido al equipo de Hopkin en el laboratorio de Experimentos y Simulaciones en Ingeniería Térmica (ExSITE) una subvención de 750.000 dólares durante tres años para llevarlo adelante. Además, el equipo también construirá un prototipo de dispositivo a través de su empresa derivada, Laser Thermal.

Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista ACS Nano.

Abstracto:

Las interacciones acopladas entre los portadores fundamentales de carga, calor y campos electromagnéticos en interfaces y límites dan lugar a procesos energéticos que permiten una amplia gama de tecnologías. La transducción de energía entre estos portadores acoplados da como resultado la disipación térmica en estas superficies, a menudo cuantificada por la resistencia del límite térmico, impulsando así las funcionalidades de las nanotecnologías modernas que continúan brindando beneficios transformadores en la informática, las comunicaciones, la atención médica, la energía limpia y la energía. reciclaje, detección y fabricación, por nombrar algunos. El propósito de esta revisión es resumir trabajos recientes que se han informado sobre mecanismos de transferencia de calor y transducción de energía ultrarrápida y a nanoescala a través de interfaces cuando diferentes portadores térmicos se acoplan cerca o a través de interfaces. Revisamos los mecanismos de transferencia de calor acoplados en las interfaces de sólidos, líquidos, gases y plasmas que impulsan la transferencia de calor interfacial resultante y los gradientes de temperatura debido al acoplamiento de energía y momento entre varias combinaciones de electrones, vibrones, fotones, polaritones (polaritones de plasmón y polaritones de fonones). ), y moléculas. Estos procesos de transporte térmico interfacial con portadores de energía acoplados implican investigaciones relativamente recientes y, por lo tanto, existen varias oportunidades para desarrollar aún más estos campos incipientes, que comentamos a lo largo de esta revisión.