MİKROGRAVİTEDE GÖZLEMLENEN OLAĞANDIŞI SIVI DAVRANIŞI
ISS'deki bir ısı borusundaki yoğunlaşma
Normalde bir sıvı kaynama noktasının üstünde ısıtıldığında buhar halde bulunur. Fakat bilim adamları kısa bir süre önce Uluslararası Uzay İstasyonunda (ISS) yaptığı bir deneyde, sıcaklık normal maddenin kaynama noktasının 160 K üzerinde olduğunda dahi bir ısı borusunun yakınındaki buharın yoğunlaşarak sıvıya dönüştüğü gözlemlendi. Elde edilen sonuçlar, mikrogravitenin buharlaşma ve yoğuşma süreçlerini önemli derecede değiştirdiğini gösteriyor ancak bilim adamları, bu olgu için tam bir açıklama yapmıyorlar.
“Rensselaer Politeknik Enstitüsü ve NASA Glenn Araştırma Merkezi'nden bilim adamlarından oluşan araştırma ekibi, Physical Review Letters adlı bilimsel derginin son sayısında şaşırtıcı gözlemlerle ilgili bir bildiri yayınladı.”
Mikrogravitede bir uzay aracının bileşenlerini soğutmak için kullanılan cihazların ısı borularında beklenmeyen davranışların gözlenmesi yeni bir şey değil. 2015 yılında, aynı araştırmacıların birçoğu, ISS üzerinde yapılan deneyler sırasında, doğrudan ve dolaylı olarak bu gözlem yapmışlardı.
O zaman araştırmacılar, bir ısı borusuna ısı girdisinin arttırılmasının cihazın Dünya'daki gibi ısıtılmış ucun yakınında kurumasına neden olmadığını, bunun yerine orada sıvı birikmesine neden olduğunu gözlemledi. O sırada, bu fenomenden sorumlu olan süreçler tam olarak anlaşılamamıştır.
Yeni çalışmada, araştırmacılar benzer bir ısı borusu deneyini pentan ile gerçekleştirdiler ve yüzeydeki ısı girdisi arttıkça yoğuşma miktarı arttığını buldular. Deneyin güvenlik sınırlarına ulaştığı nokta olan pentanın normal kaynama noktasının 160 K üstündeki sıcaklıklarda etkisini gözlemlediler. Genel olarak, kaynama noktasının üzerindeki sıvının "superheated" bir halde olduğu söylenir. Burada, araştırmacıla Isı borusunun sıcak ucu biriken sıvıyı "superheated" (Aşırı ısıtılmış sıvı) olarak tanımlıyorlar.
Araştırmacılar bu yoğuşma olgusuna neyin sebep olduğu konusunda tam teorik bir açıklama yapmamalarına rağmen, önceki araştırmalara dayanarak kısmen “Marangoni effect’den” kaynaklanabileceğini söylüyorlar. Bu etki ısı borusunun fiziksel özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Bir ısı borusu, ısıtılmış bir uca ve borunun sıcak-soğuk ekseni boyunca birincil bir sıcaklık eğimi oluşturan soğutulmuş bir uca sahiptir. Ancak, ısı borusunun yüzeyi üzerindeki sıvı filmin üniform olmaması nedeniyle, sıcaklık eğimi üç boyutludur ve boru yüzeyinin tamamında değişiklik gösterir.
Bu sıcaklık gradyanları sırayla yüzey gerilimi gradyanları oluşturur. Bu daha sonra, sıcak sıvıdan daha yüksek bir yüzey gerilimi olan daha soğuk sıvı, daha sıcak olan sıvıyı kendisine doğru çektiğinde ortaya çıkan Marangoni etkisine yol açar. Sununda, etki, Marangoni tarafından tahrik edilen akışları -biri ısınmış uçtan soğutulmuş uca, diğeri borunun merkezinin etrafında üretir. Bu akışlar, borunun sıcak "buharlaşma noktasında" bile meydana gelir ve yoğunlaşmayı güçlendiren sıvı tabakasında bir istikrarsızlık meydana getirirler. Bilim adamları, boru yüzeyindeki mikro veya nanoparçacıkların doğal bozunumları çoğalttığından ve bu bölgelerdeki yoğunlaşmayı başlatmaya yardımcı olduğundan şüphe ediyor.
Bilim adamlarının açıklamalarına göre, bu yoğunlaşmanın bir mikrogravite ortamında kolayca görülebildiği ancak Dünya üzerinde bulunmamasının nedeni, yeryüzündeki daha kuvvetli yerçekimi, sıvının soğutulmuş ucundan ısı borusunun ısıtılmış ucuna geri dönüşünü sınırlar. Bununla birlikte, bilim adamları, yoğuşma olgusunun, daha küçük bir ölçekte olsa da, Dünya'nın yer çekimi altında gerçekleştiğini ve yüzey kirliliği ile kolayca etkilendiğini belirtmektedir.
Genel olarak, bilim adamları olağandışı sıvı davranışının birkaç nedenden ötürü bilimsel olarak ilginç olduğunu açıklıyor.
Politeknik Enstitüsü'nden Joel Plawsky "Çalışmanın iki temel açıdan ilginç yönü var" dedi. “Birincisi kapalı bir sisteme sahip olmaktan dolayı ortaya çıkan davranış. Bu sistemde, yoğunlaşmış sıvı ve buharlaşan sıvı birbirleriyle sürekli iletişim halinde olduğundan, daha alışılmadık akışkan davranışlar ortaya çıkar.
“İkinci ilgi çekici özellik, arayüzeylerin ve özellikle moleküler arası güçlerin, ısı borusunun ölçeğinden daha küçük ölçekte uzunluk ölçeklerinde çalışmasına rağmen, ne kadar önemli olabileceğidir. Bu durumda, moleküller arası kuvvetler, bölgesel olarak yoğunlaşmaya yardımcı olur. Isı borusu sistemi, yalnızca tüm uzunluk ölçeklerinin birbirleriyle bilgi alışverişinde bulunabilmeleri halinde mümkün olur.
Plawsky; “Sisteme ikinci bir kimyasal bileşen eklenmesinin, işlem sırasında saf bir sıvı ile gözlemlenen zararlı özelliklerin bazılarını geçersiz hale getireceğini göstermiştir” dedi. "Çalıştığımız deneylere benzer şekilde, akışkan karışımlarla deneyeceğiz . Bu gibi durumlarda, sıcaklık gradyentleri ile yönlendirilen Marangoni gerilmeleri, bileşim gradyanlarından kaynaklanan karşıt gerilmeler tarafından dengelenebilir. Bununla birlikte, şimdi ikinci bileşen eklenerek başka bir özgürlük derecesi eklendiğinden ek beklenmedik olaylar ortaya çıkabilir.”
ISS, yüksek hızda bir görüntü yakalama yeteneğine sahip olsaydı, araştırmacıların istikrarsızlığın tam doğasını ve cihazdaki ısı girdisinin frekans ve genlikte nasıl değiştiğini araştırmasına izin vereceklerini de sözlerine ekledi.
Uluslararası Uzay İstasyonundan (ISS) yapılan açıklama, “Eğer bu yapılabiliyorsa, kılcal pompalı döngüler, üçgen kesit boruları ya da çok bacaklı salınımlı ısı boruları gibi alternatif geometrileri araştırmak ve gelişen herhangi bir büyük ölçekli beklenmedik olay varsa görmek çok ilginç olacaktır. Tüm bu deneyler şeffaf sistemler ile yapılacaktı. Şeffaf bir sistem, metalik bir sistem kadar verimli çalışmayacak olsa da, sıvı ve buharın nerede olduğunu görebilme ve içindeki sıvı dinamiklerini daha iyi anlama avantajını sunar.
Çeviri: Celal DEMİRTAŞ
Daha Fazla:Akshay Kundan et al. "Condensation on Highly Superheated Surfaces: Unstable Thin Films in a Wickless Heat Pipe." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.094501
Referens Dergi:Physical Review Letters
Yayınlama tarihi: 22.03.2017