Professor nutzt Plasmastrahlen zur Kühlung der Bordelektronik der US Air Force

Tom Cogill/UVA

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Forscher der University of Virginia haben einen Weg gefunden, High-End-Elektronik in Militärflugzeugen mithilfe von Plasmastrahlen zu kühlen. Das Team um Patrick Hopkins, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität, verwirklicht mit seiner Arbeit Science-Fiction, heißt es in einer Pressemitteilung.

Mit zunehmenden technologischen Fortschritten ist auch die militärische Ausrüstung mit hochwertiger Elektronik ausgestattet. Marinen auf der ganzen Welt verwenden Wasser in ihren Kühlsystemen, während dichte Luft dazu beiträgt, die Ausrüstung auf der Erde schnell zu kühlen.

Für die Luftwaffe stellte dies jedoch aufgrund der dünnen Luft, in der sie operiert, eine Herausforderung dar. In den oberen Schichten der Atmosphäre gibt es nicht viel Luft, um die Kühlung zu ermöglichen, und Flugzeuge können das zusätzliche Gewicht der Kühlmittel an Bord nicht tragen. Das Team von Hopkins hat eine leichte und praktische Lösung für das Problem gefunden: die Verwendung von Plasma.

Plasma, der vierte Aggregatzustand, entsteht, wenn Gase mit Energie versorgt werden. In diesem Zustand verlassen die Elektronen des gasförmigen Elements ihre Kernbahnen und die Materie kann in einem Strom Photonen, Ionen oder sogar Elektronen freisetzen. Diese können in Form eines Strahls oder eines Blitzes visualisiert werden.

Vor einigen Jahren machten Hopkins und sein Mitarbeiter am US Navy Research Laboratory, Scott Walton, eine überraschende Entdeckung. Als sie einen mit Helium erzeugten violetten Plasmastrahl auf eine vergoldete Oberfläche feuerten, stellten sie fest, dass dieser das Objekt zunächst abkühlte, bevor es erhitzt wurde. Dieses Phänomen wurde noch nie zuvor beobachtet und die Forscher mussten ihre Experimente mehrmals wiederholen, um zu bestätigen, dass ihre Beobachtungen tatsächlich korrekt waren.

Nach ihren zahlreichen Beobachtungen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Abkühlung wahrscheinlich das Ergebnis des Abplatzens einer ultradünnen Oberflächenschicht aus Wasser- und Kohlenstoffmolekülen war, die schwer zu erkennen war, aber auf der Oberfläche des Objekts vorhanden war. Ähnlich wie der Schweiß auf unserer Haut, der die Energie unseres Körpers nutzt, um den Körper zu verdampfen und zu kühlen, nutzt diese Molekülschicht die Energie des Plasmas, um das Objekt zu kühlen.

Tom Cogill/UVA

Hopkins stellt sich vor, dass diese sofortige Kühlung in Flugzeugen eingesetzt werden könnte, wo ein Roboterarm über Bereiche mit Temperaturspitzen in Aktion treten und diese mit kurzen Plasmastrahlenstößen sofort kühlen könnte. Dies wäre eine wesentliche Verbesserung gegenüber der „Kühlplatte“, die derzeit zur Wärmeabfuhr der Elektronik in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet wird.

Der US Air Force gefällt das Konzept und sie hat Hopkins Team im ExSITE-Labor (Experiments and Simulations in Thermal Engineering) einen Zuschuss von 750.000 US-Dollar über einen Zeitraum von drei Jahren gewährt, um es voranzutreiben. Darüber hinaus wird das Team über sein Spinout-Unternehmen Laser Thermal auch einen Prototyp eines Geräts bauen.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Abstrakt:

Durch die gekoppelten Wechselwirkungen zwischen den Grundträgern Ladung, Wärme und elektromagnetischen Feldern an Grenzflächen und Grenzflächen entstehen energetische Prozesse, die eine Vielzahl von Technologien ermöglichen. Die Energieübertragung zwischen diesen gekoppelten Trägern führt zu einer Wärmeableitung an diesen Oberflächen, die oft durch den thermischen Grenzwiderstand quantifiziert wird, und treibt so die Funktionalitäten der modernen Nanotechnologien voran, die weiterhin transformative Vorteile in den Bereichen Computer, Kommunikation, Gesundheitswesen, saubere Energie und Energie bieten Recycling, Sensorik und Fertigung, um nur einige zu nennen. Ziel dieses Aufsatzes ist es, aktuelle Arbeiten zu ultraschnellen und nanoskaligen Energietransduktions- und Wärmeübertragungsmechanismen über Grenzflächen hinweg zusammenzufassen, wenn verschiedene Wärmeträger in der Nähe oder über Grenzflächen hinweg koppeln. Wir untersuchen gekoppelte Wärmeübertragungsmechanismen an Grenzflächen von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen, die die resultierende Grenzflächenwärmeübertragung und Temperaturgradienten aufgrund der Energie- und Impulskopplung zwischen verschiedenen Kombinationen von Elektronen, Vibronen, Photonen und Polaritonen (Plasmonpolaritonen und Phononpolaritonen) steuern ) und Moleküle. Diese Grenzflächen-Wärmetransportprozesse mit gekoppelten Energieträgern sind Gegenstand relativ neuer Forschung, und daher bestehen mehrere Möglichkeiten, diese entstehenden Felder weiterzuentwickeln, auf die wir im Verlauf dieses Aufsatzes eingehen.