Professor usa raios de plasma para resfriar eletrônicos de bordo da Força Aérea dos EUA

Tom Cogill/UVA

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Pesquisadores da Universidade da Virgínia descobriram uma maneira de resfriar eletrônicos de última geração em aeronaves militares usando raios de plasma. A equipe liderada por Patrick Hopkins, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da universidade, está transformando a ficção científica em realidade com seu trabalho, disse um comunicado à imprensa.

Com os crescentes avanços na tecnologia, o equipamento militar também está repleto de eletrônicos de última geração. Marinhas de todo o mundo estão usando água em seus sistemas de resfriamento, enquanto o ar denso ajuda a resfriar rapidamente os equipamentos na Terra.

Para a Força Aérea, no entanto, isso tem sido um desafio devido ao ar rarefeito em que opera. As camadas superiores da atmosfera não têm muito ar para facilitar o resfriamento e as aeronaves não podem transportar o peso extra dos refrigerantes a bordo. A equipe de Hopkins encontrou uma solução leve e prática para o problema: o uso de plasma.

O plasma, o quarto estado da matéria, é criado quando os gases são energizados. Nesse estado, os elétrons do elemento gasoso deixam suas órbitas nucleares e a matéria pode liberar fótons, íons ou mesmo elétrons em fluxo. Eles podem ser visualizados na forma de um raio ou relâmpago.

Há alguns anos, Hopkins e seu colaborador do Laboratório de Pesquisa da Marinha dos EUA, Scott Walton, fizeram uma descoberta surpreendente. Quando eles dispararam um jato roxo de plasma criado com hélio em uma superfície banhada a ouro, descobriram que ele esfriava o objeto antes de aquecê-lo. Este fenómeno nunca tinha sido observado antes e os investigadores tiveram que repetir as suas experiências em múltiplas ocasiões para confirmar que as suas observações estavam realmente corretas.

Após múltiplas observações, os pesquisadores determinaram que o resfriamento foi provavelmente o resultado da explosão de uma camada superficial ultrafina de moléculas de água e carbono que era difícil de ver, mas existia na superfície do objeto. Assim como a transpiração da pele, que utiliza a energia do corpo para evaporar e resfriar o corpo, essa camada de moléculas utiliza a energia do plasma para resfriar o objeto.

Tom Cogill/UVA

Hopkins prevê que esse resfriamento instantâneo poderia ser implantado em aeronaves onde um braço robótico poderia entrar em ação sobre áreas onde as temperaturas aumentam e resfriá-las instantaneamente com pequenas rajadas de raios de plasma. Isto seria uma grande melhoria em relação à “placa fria” que é atualmente usada para retirar o calor dos componentes eletrônicos em aplicações aéreas e espaciais.

A Força Aérea dos EUA gosta do conceito e concedeu à equipe de Hopkin no laboratório de Experimentos e Simulações em Engenharia Térmica (ExSITE) uma doação de US$ 750.000 ao longo de três anos para levá-lo adiante. Além disso, a equipe também construirá um protótipo de dispositivo por meio de sua empresa spinout, a Laser Thermal.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista ACS Nano.

Abstrato:

As interações acopladas entre os portadores fundamentais de carga, calor e campos eletromagnéticos nas interfaces e limites dão origem a processos energéticos que permitem uma ampla gama de tecnologias. A transdução de energia entre estes portadores acoplados resulta em dissipação térmica nestas superfícies, muitas vezes quantificada pela resistência do limite térmico, impulsionando assim as funcionalidades das nanotecnologias modernas que continuam a fornecer benefícios transformacionais em computação, comunicação, cuidados de saúde, energia limpa, energia reciclagem, detecção e fabricação, para citar alguns. O objetivo desta revisão é resumir trabalhos recentes que foram relatados sobre transdução de energia ultrarrápida e em nanoescala e mecanismos de transferência de calor através de interfaces quando diferentes transportadores térmicos se acoplam perto ou através de interfaces. Revisamos mecanismos acoplados de transferência de calor em interfaces de sólidos, líquidos, gases e plasmas que impulsionam a transferência de calor interfacial resultante e gradientes de temperatura devido ao acoplamento de energia e momento entre várias combinações de elétrons, vibrons, fótons, polaritons (polaritons de plasmon e polaritons de fônons). ) e moléculas. Estes processos de transporte térmico interfacial com portadores de energia acoplados envolvem pesquisas relativamente recentes e, portanto, existem diversas oportunidades para desenvolver ainda mais estes campos nascentes, que comentamos ao longo desta Revisão.