(Phys.org)—Normalt när en vätska värms över sin kokpunkt, det avdunstar, förvandlas till en ånga. Men när forskare nyligen utförde ett experiment på den internationella rymdstationen (ISS), de observerade att ångan nära ett värmerör kondenserade till en vätska även när temperaturen var 160 K över ämnets normala kokpunkt. Resultaten visar att mikrogravitation signifikant förändrar processerna för avdunstning och kondensation, men forskarna har ännu inte en fullständig förklaring till fenomenet.

Forskargruppen, bestående av forskare från Rensselaer Polytechnic Institute och NASA Glenn Research Center, har publicerat en artikel om de överraskande iakttagelserna i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev .

Det är inte första gången som oväntat beteende i värmerör, som är enheter som används för att kyla komponenter i en rymdfarkost, har observerats i mikrogravitation. 2015, många av samma forskare gjorde en relaterad, kontraintuitiv observation under experiment utförda på ISS.

Vid den tiden, forskarna observerade att ökad värmetillförsel till ett värmerör inte fick enheten att torka ut nära den uppvärmda änden som den gör på jorden, men istället orsakade det vätskeansamling där. Just då, de processer som är ansvariga för detta fenomen var inte helt förstått.

I den nya studien, forskarna utförde ett liknande värmerörsexperiment med pentan och fann att, när värmetillförseln till ytan ökade, mängden kondens ökade. De observerade effekten vid temperaturer på upp till 160 K över den normala kokpunkten för pentan, den punkt då experimentet nådde sina säkerhetsgränser. I allmänhet, vätska över sin kokpunkt sägs vara i ett "överhettat" tillstånd. Här, forskarna beskriver den varma änden av värmeröret som att den är översvämmad med överhettad vätska.

Även om forskarna inte har en fullständig teoretisk förklaring till vad som orsakar detta kondensfenomen, de vet baserat på tidigare forskning att det delvis uppstår på grund av Marangoni-effekten. Denna effekt härrör från värmerörets fysiska egenskaper. Ett värmerör har en uppvärmd ände och en kyld ände, vilket skapar en primär temperaturgradient längs rörets varm-kall-axel. Men eftersom vätskefilmen på värmerörets yta inte är enhetlig, temperaturgradienten är tredimensionell och varierar över hela rörytan.

Dessa temperaturgradienter, i tur och ordning, skapa ytspänningsgradienter. Detta leder sedan till Marangoni-effekten, som uppstår när svalare vätska, som har högre ytspänning än varmare vätska, drar den varmare vätskan mot sig. I slutet, effekten producerar Marangoni-drivna flöden - ett från den uppvärmda änden till den kylda änden, och en annan från mitten av röret till dess kanter. Dessa flöden förekommer även i rörets heta "avdunstningsområde", och de genererar en instabilitet i vätskeskiktet som förstärker kondensationen. Forskarna misstänker också att mikro- eller nanopartiklar på rörytan förstärker naturliga störningar och på så sätt hjälper till att initiera kondens i dessa regioner.

Som forskarna förklarar, Anledningen till att denna kondens är lätt observerbar i en mikrogravitationsmiljö men inte på jorden är att den starkare gravitationen på jorden begränsar returflödet av vätska från den kylda änden till den uppvärmda änden av värmeröret, vilket kraftigt minskar Marangoni-styrkorna. Ändå, forskarna noterar att kondensationsfenomenet inträffar under jordens gravitation, fast i mindre skala, och förväxlas lätt med ytföroreningar.

Övergripande, forskarna förklarar att det ovanliga vätskebeteendet är vetenskapligt intressant av några anledningar.

"Det finns två fundamentalt intressanta aspekter av studien, " berättade medförfattaren Joel Plawsky vid Rensselaer Polytechnic Institute Phys.org . "Den första är det framväxande beteendet som kommer från att ha ett slutet system. Varken översvämningsfenomenet som vi såg 2015 eller kondensfenomenet som vi bevittnade här observerades i mer öppna system där det bara förekom avdunstning eller endast kondens förekom. I detta system, eftersom den kondenserade vätskan och den förångande vätskan står i konstant kommunikation med varandra, mer ovanliga vätskebeteenden uppstår.

"Den andra intressanta aspekten är hur viktiga gränsytor och speciellt intermolekylära krafter kan vara, även om de arbetar på långa skalor är de många storleksordningar mindre än värmerörets skala. I detta fall, de återställande intermolekylära krafterna hjälper till att underblåsa kondensationen lokalt, och det leder till stora förändringar i filmtjocklek som kan observeras globalt. På nytt, detta inträffar bara om alla längdskalor kan utbyta information med varandra som de kan i en sluten, värmerörsystem."

Förutom att vara av grundläggande intresse, resultaten kan hjälpa forskare att förstå begränsningarna hos värmerör som kylanordningar för rymdfarkoster, och vägleda utformningen av förbättrade versioner. Sålänge, forskarna planerar att ytterligare undersöka beteendet hos vätskor i mikrogravitation genom modifierade experiment.

"Vi, och ett antal andra, har visat att tillsats av en andra kemisk komponent till systemet kan upphäva några av de skadliga egenskaper som observeras under drift med en ren vätska, " sa Plawsky. "Vi kommer att prova experiment, liknande de vi redan har kört, med flytande blandningar. I sådana fall, Marangoni betonar, drivs av temperaturgradienter, kan kompenseras av motsatta spänningar som drivs av sammansättningsgradienter. Dock, eftersom man nu har lagt till ytterligare en grad av frihet genom att lägga till den andra komponenten, ytterligare, oväntade fenomen kan dyka upp."

Han tillade att, om ISS skulle utrustas med en höghastighetsbildfångstmöjlighet, det skulle tillåta forskarna att undersöka den exakta karaktären av instabiliteten och hur instabiliteten ändras i frekvens och amplitud när värmetillförseln till enheten ändras.

"Det talas om att utveckla en värmerörsanläggning på den internationella rymdstationen, " sa han. "Om det kunde byggas skulle det vara mycket intressant att kunna undersöka alternativa geometrier som kapillärpumpade slingor, rör med trekantigt tvärsnitt, eller flerbenta oscillerande värmerör och se om det är några storskaliga oväntade fenomen som utvecklas. Alla dessa experiment skulle göras med transparenta system. Även om ett transparent system inte fungerar lika effektivt som ett metalliskt system, det ger fördelen att kunna se var vätskan och ångan finns och bättre förstå vätskedynamiken som sker inuti."

© 2017 Phys.org