Med hjälp av deras hybridtopologi/formoptimeringsprogram -- HyTopS -- kan Drexel University-forskare designa kylmaterial, som hämtar inspiration från kroppens cirkulationssystem, optimerad för vilken yta eller funktion som helst. (Bilden här forskare Ahmad Najafi, Ph.D.; och Reza Pejman, från Drexel University.) Kredit:Drexel University
Det komplexa nätverket av vener som håller oss svala under sommarens hetta har inspirerat ingenjörer att skapa nya värmeledningssystem. Men replikerar cirkulationssystemet, i form eller funktion, har inte varit någon lätt uppgift. Nyligen, ett team av forskare från Drexel University och North Carolina State University har skapat en beräkningsplattform som kan vara nyckeln till att efterlikna kroppens evolutionärt optimerade kylsystem. Mikrovaskulatur
I en studie publicerad i International Journal of Heat and Mass Transfer , Ahmad Najafi, Ph.D., professor vid Drexels College of Engineering, och hans fakultets medarbetare, Jason Patrick, Ph.D., från North Carolina State University, rapportera om hur en beräkningsteknik de utvecklat snabbt kan producera design för 3-D-utskrift av kolfiberkompositmaterial med en intern kärl optimerad för aktiv kylning.
"När du blir varm, kroppen skickar en signal till cirkulationssystemet att pumpa mer blod till hudens yta – det är därför vi ibland blir röda i ansiktet" sa Najafi. "Detta är en naturlig metod för att avleda värme som fungerar så bra, forskare och ingenjörer har försökt i flera år att replikera i mekaniska kylsystem, som de som hindrar bilar och datorer från att överhettas."
Najafi och Patricks senaste papper beskriver en integrerad plattform för att designa och skapa bioinspirerade mikrovaskulära kompositer som kan göra just det.
På några minuter, deras datorprogram, myntade HyTopS, vilket är en förkortning för hybridtopologi/formoptimering, kan producera ett schema för ett vaskulärt nätverk med den idealiska formen, storlek och distribution av mikrokärl för att aktivt kyla ett material via vätskecirkulation – ett knep som tog moder natur mer än ett par evolutionära cykler att fullända.
Mikrovaskulära fiberkompositer utvecklas för närvarande för att kyla allt från elfordon till nästa generations flygplan, där allt högre prestanda ökar värmen de genererar.
"Dessa moderna material kan revolutionera allt från hypersoniska rymdfarkoster till batteripaketering i elbilar och till och med superdatorkylsystem. När saker och ting går snabbare, och energiproduktionen och datorkraften fortsätter att öka, en enorm mängd värme genereras som kräver nya metoder för kylning, ", sa Patrick. "Inspirerad av cirkulationssystem i levande organismer, intern mikrovaskulatur ger ett effektivt medel för termisk reglering i syntetiska material."
Forskare från Drexel University har skapat ett program som optimerar den mikrovaskulära konfigurationen av material som kan användas för att kyla teknik som går varm - som datorer och bilar. Kredit:Drexel University
Denna gren av bioinspirerad baserad forskning har bara funnits i ett decennium eller så, men resultaten den har genererat är redan ganska lovande, enligt Najafi/Patrick som började sin akademiska karriär vid University of Illinois Urbana-Champaign och utvecklade mikrovaskulära material för självläkning, aktiv kylning och mer.
En del av deras senaste forskning är att ersätta mer traditionella metallsystem som överför värme via vatten eller luft. Även om det har varit en pålitlig lösning, alla som har burit en luftkonditioneringsfönsterenhet kommer säkert att förstå varför ett annat kylsystem skulle vara en förbättring för alla fordon eller komponenter som försöker minska vikten.
"Mikrovaskulära kompositer erbjuder många fördelar jämfört med befintliga vätske- och luftkylningssystem, först och främst, de är mycket lättare med jämförbar styrka, men de är också mycket hållbara – vilket är viktigt om man tar hänsyn till den utbredda effekten av korrosion på metallkomponenter, " Najafi ledsen. "Och om du tar hänsyn till dessa bland andra faktorer, det är lätt att se varför de söks inom flyg- och rymdindustrin, fordons- och energisektorn."
För att sätta sin optimeringsmetod på prov, forskarna designade och byggde en mikrovaskulär kolfiberkomposit med 3D-utskrift och testade dess kylningsförmåga mot en referensdesign från tidigare studier. Efter uppvärmning av kolkompositerna till en maximal temperatur, flytande kylvätska (liknande den i din bil) pumpades genom varje vaskulärt nätverk för att påbörja kylningsprocessen.
Den HyTopS-optimerade kolkompositen var inte bara svalare, men mer enhetlig när det gäller yttemperaturfördelning, och kunde svalna snabbare än referensdesignen.
Förutom överlägsen prestanda hos det optimerade materialet, fördelen med HyTopS-metoden är att den automatiskt beräknar effekten av ändringar i kanalernas diameter och arrangemang, samt hur de är kopplade till varandra. Den tar hänsyn till materialets sammansättning och övergripande geometri hos systemet som kyls och motsvarande värmeöverföringsegenskaper. Och det tar hänsyn till parametrar relaterade till tillverkningsprocessen, så den slutliga designen är ett realistiskt mikrovaskulärt material som kan göras genom 3-D-utskrift eller andra tillgängliga tillverkningsmetoder.
"Det är nästan omöjligt att reproducera hela komplexiteten hos naturliga mikrovaskulära, men vårt program tillåter en hel del optimeringsinput och tar hänsyn till tillverkningsparametrar för att säkerställa att designen faktiskt kan konstrueras, sa Najafi.
Det samarbetsteamet avser att använda HyTopS-metoden för att utforska andra spännande och tvärvetenskapliga aspekter av mikrovaskulära kompositer, inklusive strukturell mekanik och elektromagnetik.
