Jak využít nanokapaliny

Začátkem 90. let výzkumníci zjistili, že po přidáním nanočástic do kapaliny se zvyšuje její tepelná vodivost. To byl velmi významný poznatek – chlazení strojních zařízení je totiž velmi nákladné například v energetice, u motorových vozidel nebo v elektronice. Zdálo se, že používání nanočástic přinese miliardové úspory energie. V důsledku protichůdných výsledků se však od dalšího vývoje upustilo. Po dvaceti letech se vědci začali tímto jevem opět zabývat. Otázkou je, proč zde nastalo tak dlouhé zpoždění ve výzkumu a zda mohou chladiva po přidání nanočástic splnit naše očekávání.

Co jsou to nanokapaliny

Vše začalo v roce 1993, když byl v japonském časopise uveřejněn článek Hidetoši Masudy a kol. z Tohoku University v Sendai. Zmiňuje se o tom, že tepelnou vodivost vody, tj. její schopnost přenášet teplo, by bylo možné zvýšit přidáním nanočástic oxidu hlinitého a titaniočitého. Na druhém konci světa si článek přečetl Stephen Choi a jeho kolega Jeff Eastman z Argonne National Laboratory v Chicagu. Choi dokonce vymyslel termín pro tento druh kapalin – nanokapaliny (nanofluids).

Výzkumníci již dříve zkoušeli kovové prášky, které přidávali do chladiva. Kovy, například měď, mají tepelnou vodivost stokrát větší než voda, a mělo proto smysl přidávat je do chladiva. Avšak experimenty s mikročásticemi nebyly úspěšné. Pokud nebyla kapalina silně promíchávána, klesaly kovové mikročástice ke dnu a při cirkulaci celý chladicí systém poškozovaly – obrušovaly vnitřní stěny potrubí a více opotřebovávaly čerpadla a kuličková ložiska. Proto se naděje začaly vkládat do ještě menších částic, do nanočástic.

Výhody

Nanočástice mají oproti mikročásticím celou řadu výhod:

· jsou tak nepatrné, že se drží v suspenzi,

· jsou tak malé jako větší molekula, takže nepoškozují strojní zařízení,

· mají vynikající chemické vlastnosti a obrovskou povrchovou plochu.

Díky těmto vlastnostem by nanokapaliny mohly nabídnout účinnější chlazení.

Jak to vlastně je

Když Choi a Eastman přidali malé množství měděných nanočástic do etylenglykolu, naměřili až o 40 % vyšší účinnost přenosu tepla. Nejvyšší účinnosti ale dosáhli po přidání uhlíkových nanotrubiček do silikonového oleje – až o 160 %. Brzy se ale nadšení změnilo ve zklamání, protože se ne vždy podařilo úspěšné výsledky zopakovat. Zatímco jedni se domnívali, že nanočástice zvyšují přenos tepla, jiní hlásili, že nikoliv. Několik dokonce konstatovalo, že se přenos tepla zhoršuje.

Již asi sto let známe teorii skotského fyzika Jamese Clerka Maxwella vysvětlující, jak budou kapaliny přenášet teplo, pokud budou obsahovat suspendované částice. Model předpokládá, že se přenos tepla zvyšuje jednoduchým lineárním způsobem. Přitom se uvažuje jak schopnost jednotlivých materiálů vést teplo, tak i skutečnost, že tento přenos nezávisí na velikosti částic nebo teplotě. Přesto při použití nanočástic v kapalinách výsledky v mnoha případech s tímto modelem nesouhlasily a nebylo jasné proč.

Protichůdné názory přetrvávaly až do roku 2007, kdy se Jacopo Buongiorno z MIT rozhodl přijít věci na kloub a dal dohromady 34 výzkumných ústavů po celém světě s cílem experimenty s nanokapalinami zopakovat. Výzkumní pracovníci od Tokia až po Texas zkoušeli stejné vzorky a používali stejné protokoly, a potom v roce 2009 je zaslali do Beverly Hills ke zpracování. Z výsledku se zdálo, žeprohlráli ti, kteří se domnívali, že slovo „nano“ je symbolem pro „zázračný“. Všeobecný závěr byl takový, že tepelnou vodivost lze popsat konvenční teorií, a že Maxwellův model platí i v případě použití nepatrných nanočástic. V čem proto spočívaly nejasnosti? Ukázalo se, že každý výzkumník měl své oblíbené nanomateriály, od oxidu titaničitého a hlinitého až po karbid křemíku, uhlíkové nanotrubičky a měď. Někteří ještě přidávali k udržení nanočástic v roztoku povrchově aktivní látky, jiní naopak tyto látky vyloučili. Zdálo se, že byl případ uzavřen. S tím ale nesouhlasil Yulong Ding, který studuje nanokapaliny na Leeds University ve Spojeném království. Prohlásil, že zkoušky s proudícími vzorky i nadále vykazují vynikající chladící účinky, což je efekt, který lze plně vysvětlit Maxwellovým modelem. Studie z roku 2008, vypracovaná týmem z US National Institute of Standards and Technology v Gaithensburgu, ukázala, že po přidání nanočástic oxidu měďnatého do chladiva se téměř ztrojnásobila schopnost přenosu tepla.

Tajemství spočívá v proudění

Předávání tepla závisí také na proudění kapaliny. A zde se nanokapaliny chovají neobvykle. Na rozdíl od jiných kapalin se jejich viskozita může měnit nelineárně, a to v závislosti na rychlosti proudění. Toto chování může být důležité zejména u maloprůměrových trubek parních generátorů. Tam, kde se proudící kapalina setkává se stěnou trubky, tření ji zpomaluje a vytváří vrstvu „líné“ nebo dokonce stojící kapaliny. Je-li tato vrstva relativně silná, může se chovat jako tepelný izolátor a snižovat přenos tepla. Vědci se domnívají, že nanočástice tuto vrstvu ztenčují. Je to jen teorie, která by ale mohla vysvětlit anomální výsledky. Uvedená teorie může být dobrou zprávou pro ty, kdo doufají v uplatnění nanokapalin v praxi. Může tomu napomoci i prototyp tepelného výměníku, který vyrobila a vyzkoušela firma Thermacore of Lancaster, Pennsylvania ve spolupráci s evropským projektem NanoHex. Při provozních zkouškách se ukázalo, že náklady na chlazení se snížily o polovinu. Společnost Thermacore nyní spolupracuje s německou společností ITN Nanovation ze Saarbrueckenu na zkouškách chladicího zařízení pro datacentra.

Výzkum bude muset pokračovat

Podle Dinga zbývá ještě vyřešit některé nejasnosti. Není například zřejmé, zda se při dlouhodobém provozu nebudou nanočástice lepit na vnitřní strany potrubí. Důležitý je rovněž fakt, že po přidání nanočástic se zvyšuje viskozita kapaliny. To by mohlo znamenat, že přínos ze zlepšení účinnosti přenosu tepla by mohl být na úkor vyšší spotřeby elektřiny potřebné k čerpání kapaliny v chladicím okruhu. Výsledky výzkumu v řadě zemí jsou zatím příznivé. Například čínský výzkumný tým, vedený Shengshanem Bi z Xi´ z Jiaotong University, přidal do konvenční chladicí směsi ledničky nanočástice oxidu titaničitého. Navzdory vyšší viskozitě spotřebovala lednička o 10 % méně elektřiny. Obdobné výsledky byly zaznamenány i u jiných experimentů. Ukázalo se, že klimatizační zařízení by díky nanokapalinám mohla uspořit až jednu třetinu elektřiny.

Celkové úspory elektřiny by mohly být dosti vysoké:

· Podle Geoffa Smythe ze společnosti UK Carbon Trust vydají obyvatelé Spojeného království na chlazení a zmrazování potravin a nápojů ročně na 1,2 miliardy liber šterlinků. Kdyby se účinnost zařízení zvýšila o 10 %, dosáhly by roční úspory 195 milionů liber a emise CO₂ by klesly o 710 000 tun.

· Při zvýšení účinnosti klimatizačních zařízení jen o 1 % by bylo možno v USA ročně ušetřit 320 miliard kWh, 3 miliardy dolarů a snížit emise CO₂ o 150 milionů tun.

Úspory na cestě

Kromě úspory elektřiny by mohly nanokapaliny přispět i k její efektivnější výrobě. Většina elektráren používá tepelnou energii k přeměně vody na páru. Když se povrch ohříváku příliš zahřeje, začíná se kapalina vařit a vznikající bublinky se chovají jako izolátory a pokud příliš narostou nebo jich příliš přibude, zpomalují proces ohřevu. V určitém situaci, označované jako kritický tepelný tok (critical heat flux), vzroste teplota ohříváku natolik, že hrozí explozivní uvolnění energie, které může poškodit zařízení. Ukázalo se, že nanokapaliny zvyšují kritický tepelný tok. Například konvenční reaktorové chladivo by mohlo obsahovat nanokapalinu, což by umožnilo bezpečně provozovat reaktor i s vyšším výkonem. Výzkum zjistil, že nanokapalina zvyšuje kritický tepelný tok o 9 %, ale někteří odborníci se domnívají, že je to dokonce až o 200 %.

Doporučuje se rovněž, aby tlakové nádrže obsahující chladivo pro bezpečnostní chlazení reaktoru obsahovaly nanokapalinu, protože by umožnila rychlé dochlazování reaktoru v případě havárie.

Alternativní chladiva v automobilovém průmyslu

Výzkumní pracovníci z Argonne nyní opětovně zkoumají myšlenky, s nimiž přišli Choi a Eastman. Před několika lety demonstroval Jules Routbort alternativní chladivo místo běžného vodního chladiva motorů automobilů. Jednalo se o nanokapalinu obsahující grafitové částice, které zvyšují tepelnou vodivost o 50 %. Díky tomu by nebyl třeba druhý chladič k ochlazování elektronických komponent a hmotnost automobilu by se mohla snížit, stejně jako provozní náklady. Calvin Li z Villanova University v Pensylvánii vypočítal, že při zvýšení účinnosti chlazení o 15 % by se jen v USA uspořilo 2,9 miliard tun benzínu za rok. Tyto nanokapaliny začala v motorech automobilů již zkoušet energetická společnost Chevron. Sen o širší aplikaci nanokapalin se sice ještě nesplnil, lze ale věřit tomu, že desítky let tvrdé práce výzkumníků nebyly vynaloženy zbytečně a že tyto materiály mají budoucnost.

Podle: Katharine Sanderson: Fluid thinking. New Scientist, 2013, č. 2924, s. 38-31