Eksperymenty z nieważkością wyodrębniają klasyczne zjawisko dyfuzji.
Przez lata badacze opracowywali różne modele opisujące krytyczną klasę efektów mieszania, takich jak te występujące w przepływie w reaktorze chemicznym. Jednakże walidacja eksperymentalna znacznie się opóźniła, głównie z powodu interferencji efektów grawitacyjnych.
Europejski zespół badawczy obejmujący Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorf (HZDR) i partnerzy z Uniwersytetu w Szeged (Węgry) i Université libre de Bruxelles (ULB, Belgia) wypełnili tę lukę eksperymentami przeprowadzonymi w stanie nieważkości. Naukowcy opublikowali niedawno swoje wyniki w czasopiśmie Nature npj Mikrograwitacja.
Tak zwane fronty reakcji i dyfuzji powstają, gdy dwie substancje chemiczne reagują ze sobą i jednocześnie się rozprzestrzeniają. Naukowcy mogą wykorzystać ten efekt do modelowania i lepszego zrozumienia problemów w chemii i fizyce, a także w zupełnie innych obszarach, takich jak świat finansów czy językoznawstwo, ponieważ leżące u ich podstaw równania matematyczne mają te same cechy. Sprawa staje się bardziej skomplikowana, gdy badacze łączą te reakcje z przepływami.
Procesy tego rodzaju są ważne dla zastosowań technologicznych związanych z procesami spalania, geologią, produkcją określonych materiałów i magazynowaniem dwutlenku węgla. Pomimo mnóstwa zastosowań, zasadnicze części tych systemów nie są jeszcze w pełni poznane.
„Dotychczas eksperymenty sprawdzające modele takich procesów były zniekształcane przez efekty wyporu spowodowane różnicami gęstości pomiędzy roztworami reakcyjnymi. Aby wyizolować ten problem, przeprowadziliśmy eksperymenty z wykorzystaniem nieważkości na pokładzie rakiety sondującej. Nasi partnerzy przeprowadzili równoległe symulacje numeryczne, aby pokazać znaczenie efektów dwuwymiarowych, których nie można uwzględnić w prostych modelach jednowymiarowych” – mówi dr Karin Schwarzenberger z Instytutu Dynamiki Płynów w HZDR, przedstawiając pracę swojego zespołu .
Start rakiety za kołem podbiegunowym
Eksperyment odbył się 1 października 2022 roku – na pokładzie rakiety sondującej TEXUS-57, która została wystrzelona z Centrum Kosmicznego Esrange, 40 kilometrów na wschód od Kiruny w Szwecji. Wspólny projekt z udziałem Airbus Defence & Space, Europejska Agencja Kosmiczna ESA i Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) przetransportowały między innymi eksperymentalny model zespołu Schwarzenbergera na obrzeża kosmosu. Moduł miał trzy reaktory o różnych rozmiarach, składające się z płyt szklanych ułożonych jedna na drugiej w różnej odległości. Rakieta osiągnęła wysokość 240 kilometrów, osiągając stan niemal całkowitej nieważkości na prawie sześć minut.
W tym okresie badacze mogli automatycznie przeprowadzać eksperymenty – eksperymenty, które były wynikiem kilku lat skrupulatnego planowania. Reakcja została wywołana, gdy nastała nieważkość. Trzy kamery o wysokiej rozdzielczości sfilmowały fronty reakcji, które rozprzestrzeniały się pomiędzy dwiema płynącymi cieczami. To właśnie te obrazy były przedmiotem wszystkich wysiłków zespołu: z ich pomocą badacze mogą teraz oddzielić bardzo specyficzny efekt mieszania od innych zjawisk przepływu.
Fizyka przepływu w stanie nieważkości
Przepływy w kanałach cieczy charakteryzują się nierównomiernym rozkładem prędkości na skutek tarcia o ścianki, co w konsekwencji wpływa na transport substancji rozpuszczonych i dyfuzję reagentów w cieczy. Ten efekt dyfuzji znany jest jako dyspersja Taylora-Arisa, nazwana na cześć dwóch badaczy, którzy w latach pięćdziesiątych położyli podwaliny pod jego zrozumienie. W przeszłości w badaniach teoretycznych proponowano modele o różnym stopniu złożoności, aby opisać wzajemne oddziaływanie dyspersji Taylora-Arisa i reakcji chemicznych.
Jednakże w odniesieniu do zastosowań ważna jest ocena warunków wstępnych, w jakich można stosować różne modele. Oznaczało to przeprowadzenie eksperymentów mających na celu odizolowanie dyspersji Taylora-Arisa od innych zjawisk przepływu. Na Ziemi na dyspersję Taylora-Arisa zasadniczo nakładają się efekty wyporu spowodowane grawitacją. Do tej pory badacze próbowali minimalizować wpływ wyporu, stosując płytkie reaktory, ale nigdy nie działało to w pełni, ponieważ nadal trzeba było uwzględnić pewien zakres wysokości reaktorów i prędkości przepływu, aby można było zastosować je w wielu obszarach zastosowań. Ale im większy system przepływu, tym silniejsza grawitacja. Naukowcom udało się teraz pokonać te ograniczenia przy zerowej grawitacji.
Porównanie z eksperymentami referencyjnymi na ziemi wykazało, że przy większych wysokościach reaktora w stanie nieważkości wygenerowano znacznie mniej produktów reakcji. Jeszcze ważniejsze były dane obrazu frontów reakcji, które nie zostały zniekształcone przez efekty wyporu. Partnerzy brukselscy byli w ten sposób w stanie odtworzyć rozwój frontu w różnych modelach teoretycznych. Wspólna ocena wykazała, że w bardzo płytkich reaktorach o wolnym przepływie można zastosować proste modele jednowymiarowe. Jednakże w przypadku większych reaktorów lub szybszego przepływu wymagane są modele dwuwymiarowe wykorzystujące dyspersję Taylora-Arisa.
W obrębie tych zakresów ważności można teraz zastosować odpowiednie korelacje do przewidywania powstawania produktu. Można to wykorzystać do projektowania innowacyjnych reaktorów, do ukierunkowanej syntezy cząstek i transportu płynów w warstwach geologicznych, ale także do zasilania stacji kosmicznych, gdzie warunki grawitacyjne różnią się od ziemskich.
Odniesienie: „Odkrywanie dynamiki dyspersji i wyporu wokół radialnych frontów reakcji A + B → C: eksperymenty mikrograwitacyjne i symulacje numeryczne” Yorgos Stergiou, Darío M. Escala, Paszkál Papp, Dezső Horváth, Marcus JB Hauser, Fabian Brau, Anne De Wit, Ágota Tóth, Kerstin Eckert i Karin Schwarzenberger, 9 maja 2024 r., npj Mikrograwitacja.
DOI: 10.1038/s41526-024-00390-8
