Odemknutí skryté síly varu – pro energii, vesmír a další

Většina lidí bere vření vody jako samozřejmost. Pro docenta Mattea Bucciho bylo odhalování fyziky za vřením desetileté putování plné neočekávaných výzev a nových poznatků.

Zdá se, že jednoduchý jev je extrémně těžké studovat v komplexních systémech, jako jsou jaderné reaktory, přesto je základem široké škály důležitých průmyslových procesů. Odemknutí jeho tajemství by tak mohlo umožnit pokrok v oblasti efektivní výroby energie, chlazení elektroniky, odsolování vody, lékařské diagnostiky a dalších.

„Var je důležitý pro aplikace daleko za hranicemi jaderné energetiky,“ říká Bucci, který v červenci získal na MIT profesuru. „Var se používá v 80 procentech elektráren, které vyrábějí elektřinu. Můj výzkum má dopady na vesmírný pohon, ukládání energie, elektroniku a stále důležitější úkol chlazení počítačů.“

Bucciho laboratoř vyvinula nové experimentální techniky, které vrhají světlo na širokou škálu jevů souvisejících s vřením a přenosem tepla, které po desetiletí omezovaly energetické projekty. Nejdůležitější z nich je problém způsobený tak rychlým vznikem bublin, že vytvářejí vrstvu páry na povrchu, která brání dalšímu přenosu tepla. V roce 2023 Bucci a jeho spolupracovníci vyvinuli univerzální princip řídící tento problém, známý jako krize varu, který by mohl umožnit efektivnější jaderné reaktory a zabránit katastrofickým poruchám.

Pro Bucciho přináší každý pokrok nové možnosti – a nové otázky, na které je třeba odpovědět.

„Jaký je nejlepší článek?“ ptá se Bucci. „Nejlepší článek je ten další. Myslím, že Alfred Hitchcock říkal, že nezáleží na tom, jak dobrý byl váš poslední film. Pokud je ten další špatný, lidé si ho nepamatují. Vždycky říkám svým studentům, že náš další článek by měl být vždycky lepší než ten předchozí. Je to neustálá cesta zdokonalování.“

Od inženýrství k bublinám

Italská vesnice, kde Bucci vyrůstal, měla v jeho dětství asi 1 000 obyvatel. Mechanické dovednosti si osvojil prací v otcově strojní dílně a rozebráním a opětovným složením spotřebičů, jako jsou pračky a klimatizace, aby viděl, co je uvnitř. Vypěstoval si také vášeň pro cyklistiku a závodil v tomto sportu, dokud nenastoupil na Univerzitu v Pise na bakalářské a magisterské studium.

Na vysoké škole Bucciho fascinovala hmota a původ života, ale také rád stavěl, takže když přišla chvíle vybrat si mezi fyzikou a inženýrstvím, rozhodl se, že jaderné inženýrství je dobrým kompromisem.

„Mám vášeň pro stavbu a pro pochopení toho, jak se věci vyrábějí,“ říká Bucci. „Jaderné inženýrství byla velmi nepravděpodobná, ale zároveň zřejmá volba. Nepravděpodobná, protože v Itálii už jaderná energie zmizela z energetické krajiny, takže nás bylo jen velmi málo. Současně tam byla kombinace intelektuálních a praktických výzev, což se mi líbí.“

Pro svůj doktorát odešel Bucci do Francie, kde potkal svou manželku, a pokračoval v práci ve francouzské národní laboratoři. Jednoho dne ho vedoucí jeho oddělení požádal, aby pracoval na problému v oblasti bezpečnosti jaderných reaktorů, známém jako přechodné vření. Aby ho vyřešil, chtěl použít metodu pro provádění měření, kterou zavedl profesor MIT Jacopo Buongiorno, takže v roce 2013 získal grant, aby se stal vědeckým pracovníkem na MIT. Od té doby studuje vření na MIT.

Dnes Bucciho laboratoř vyvíjí nové diagnostické techniky pro studium vření a přenosu tepla spolu s novými materiály a povlaky, které by mohly zvýšit účinnost přenosu tepla. Tato práce poskytla vědcům nebývalý pohled na podmínky uvnitř jaderného reaktoru.

„Diagnostika, kterou jsme vyvinuli, může shromáždit ekvivalent 20 let experimentální práce v jednom experimentu,“ říká Bucci.

Tato data zase vedla Bucciho k pozoruhodně jednoduchému modelu popisujícímu krizi varu.

„Účinnost procesu varu na povrchu palivového pláště jaderného reaktoru určuje účinnost a bezpečnost reaktoru,“ vysvětluje Bucci. „Je to jako auto, které chcete zrychlit, ale existuje horní limit. U jaderného reaktoru je tento horní limit diktován přenosem tepla varem, takže nás zajímá, co tento horní limit je a jak ho můžeme překonat, abychom zvýšili výkon reaktoru.“

Další obzvlášť významnou oblastí výzkumu pro Bucciho je dvoufázové ponořovací chlazení, proces, při kterém horké součásti serveru přivádějí kapalinu k varu, poté se výsledná pára kondenzuje na výměníku tepla nad ním, aby se vytvořil konstantní, pasivní cyklus chlazení.

„Udržuje čipy chladné s minimálním plýtváním energií, čímž výrazně snižuje spotřebu elektřiny a emise oxidu uhličitého datových center,“ vysvětluje Bucci. „Datová centra emitují tolik CO2 jako celý letecký průmysl. Do roku 2040 budou představovat více než 10 procent emisí.“

Podpora studentů

Bucci říká, že práce se studenty je tou nejodměňující částí jeho práce. „Mají takovou skvělou vášeň a kompetence. Je motivující pracovat s lidmi, kteří mají stejnou vášeň jako vy.“

„Moji studenti se nebojí zkoumat nové nápady,“ dodává Bucci. „Téměř nikdy se nezastaví před překážkou – někdy do té míry, že je musíte zpomalit a vrátit zpět na správnou cestu.“

Při řízení Červené laboratoře na katedře jaderných věd a inženýrství se Bucci snaží dávat studentům nezávislost i podporu.

„Nevzděláváme studenty, vzděláváme budoucí výzkumníky,“ říká Bucci. „Myslím, že nejdůležitější částí naší práce není jen poskytovat nástroje, ale také dát sebevědomí a samostatnou iniciativu k řešení problémů. Mohou to být obchodní problémy, problémy s experimenty, problémy s kolegy z laboratoře.“

Některé z unikátnějších experimentů, které Bucciho studenti provádějí, vyžadují, aby sbírali měření během volného pádu v letadle, aby dosáhli nulové gravitace.

„Vesmírný výzkum je velká fantazie všech dětí,“ říká Bucci, který se s nimi v experimentech účastní asi dvakrát ročně. „Je to velmi zábavný a inspirativní výzkum pro studenty. Nulová gravitace vám dává nový pohled na život.“

Využití AI

Bucciho také nadchází začlenění umělé inteligence do jeho oboru. V roce 2023 byl spolu příjemcem multiuniverzitní výzkumné iniciativy (MURI) v oblasti tepelných věd, která se věnuje výhradně strojovému učení. Na znamení slibu, který AI skýtá v jeho oboru, Bucci nedávno založil časopis AI Thermal Fluids, aby v něm prezentoval pokroky v oblasti výzkumu poháněného AI.

„Naše komunita nemá domov pro lidi, kteří chtějí vyvíjet techniky strojového učení,“ říká Bucci. „Chtěli jsme vytvořit cestu pro lidi z informatiky a tepelných věd, aby spolupracovali a dosáhli pokroku. Myslím, že skutečně musíme přivést informatiky do naší komunity, abychom tento proces urychlili.“

Bucci také věří, že AI může být použita ke zpracování obrovského množství dat shromážděných pomocí nových experimentálních technik, které vyvinul, a také k modelování jevů, které vědci zatím nemohou studovat.

„Je možné, že AI nám dá příležitost pochopit věci, které nelze pozorovat, nebo nás alespoň povede ve tmě, když se snažíme najít kořeny mnoha problémů,“ říká Bucci.