Erschreckender Durchbruch: Die Wissenschaft hinter einem echten

Von der University of Virginia School of Engineering and Applied Science, 2. August 2023

Professor Patrick Hopkins von der University of Virginia entwickelt ein Gefrierstrahlengerät zur Kühlung der Elektronik in Raumfahrzeugen und Höhenjets. Die Technologie basiert auf Plasma, das Oberflächen überraschend kühlt, bevor sie erhitzt werden. Mit einem Zuschuss der US Air Force in Höhe von 750.000 US-Dollar untersucht das Team Möglichkeiten, diesen Kühleffekt zu verstärken und zu verlängern. (Konzept des Künstlers.)

Ein Professor der University of Virginia glaubt, dass er herausgefunden hat, wie man ein Freeze-Ray-Gerät herstellt, das vom Batman-Bösewicht Mr. Freeze inspiriert ist. Dieses Gerät ist keine Waffe, sondern soll die Elektronik in Raumfahrzeugen und Höhenjets kühlen.

Kennen Sie die Eiskanone, mit der „Batman“-Bösewicht Mr. Freeze seine Feinde „einfriert“? Ein Professor der University of Virginia glaubt, er hätte herausgefunden, wie man im wirklichen Leben so etwas herstellt.

The discovery – surprisingly based on heat-generating plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Plasma – ist jedoch nicht für Waffen gedacht. Patrick Hopkins, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, möchte eine bedarfsgerechte Oberflächenkühlung für die Elektronik in Raumfahrzeugen und Höhenjets schaffen.

„Das ist derzeit das Hauptproblem“, sagte Hopkins. „Viel Elektronik an Bord erwärmt sich, hat aber keine Möglichkeit, sich abzukühlen.“

Der US-Luftwaffe gefällt die Aussicht auf einen Gefrierstrahl so sehr, dass sie dem ExSiTE Lab (Experimente und Simulationen in der Wärmetechnik) des Professors über einen Zeitraum von drei Jahren 750.000 US-Dollar zur Verfügung gestellt hat, um zu untersuchen, wie die Technologie maximiert werden kann.

Von dort aus wird das Labor mit Laser Thermal, dem UVA-Spinout-Unternehmen von Hopkins, zusammenarbeiten, um einen Prototyp eines Geräts herzustellen.

Der Professor erklärte, dass die Elektronik in Militärfahrzeugen auf der Erde – oder in der näheren Luft – oft von Natur aus gekühlt werden kann. Die Marine beispielsweise nutzt Meerwasser als Teil ihrer Flüssigkeitskühlsysteme. Und näher am Boden ist die Luft dicht genug, um die Flugzeugkomponenten zu kühlen.

Die Doktoranden Sara Makarem Hoseini und Daniel Hirt beobachten den Plasmastrahlaufbau. Obwohl Hirt aus Effektgründen eine Strickmütze und eine bauschige Jacke trägt, ist die Abkühlung lokal und hat keinen großen Einfluss auf die umgebende Raumtemperatur. Bildnachweis: Tom Cogill

Allerdings „befindet man sich bei der Air Force und der Space Force im Weltraum, wo ein Vakuum herrscht, oder man befindet sich in der oberen Atmosphäre, wo es nur sehr wenig Luft gibt, die abkühlen kann“, sagte er. „Was also passiert, ist, dass Ihre Elektronik immer heißer und heißer und heißer wird. Und man kann keine Ladung Kühlmittel mit an Bord nehmen, denn das würde das Gewicht erhöhen und die Effizienz beeinträchtigen.“

Hopkins glaubt, dass er auf dem Weg zu einer leichten Lösung ist. Er und seine Mitarbeiter haben kürzlich in der Zeitschrift ACS Nano einen Übersichtsartikel über diese und andere Aussichten für die Technologie veröffentlicht.

Die Materie, der wir täglich begegnen, existiert in drei Zuständen: fest, flüssig und gasförmig. Aber es gibt noch einen vierten Zustand: Plasma. Während es uns auf der Erde relativ selten erscheint, ist Plasma die häufigste Form von Materie im Universum. Tatsächlich ist es der Stoff, aus dem Sterne gemacht sind.

Plasmas can occur when gas is energized, Hopkins said. That powers their unique properties, which vary based on the type of gas and other conditions. But what unites all plasma is an initial chemical reaction that untethers electrons from their nuclear orbits and releases a flow of photons, ions and electrons, among other energetic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Spezies.

Die verblüffenden Ergebnisse lassen sich beispielsweise im plötzlichen Aufblitzen eines Blitzeinschlags oder im warmen Leuchten einer Leuchtreklame beobachten.

Auch wenn es Plasmafernseher einmal gab und sie dann ausgemustert wurden, lassen Sie sich davon nicht täuschen. Plasma wird zunehmend in der Technik eingesetzt. Es wird bereits in den Triebwerken vieler der schnellsten Jets der Air Force eingesetzt. Das Plasma unterstützt die Verbrennung und verbessert so Geschwindigkeit und Effizienz.

Der Plasmastrahl in diesem Beispiel besteht aus Helium, das ein violettes Leuchten erzeugt. Das Labor wird auch mit anderen Gasen experimentieren, um herauszufinden, welches sich ideal für die Kühlung eignet. Bildnachweis: Tom Cogill

Hopkins stellt sich jedoch vor, dass Plasma auch im Inneren des Raumschiffs verwendet wird.

Die typische Lösung für die Luft- und Raumfahrtelektronik ist eine „Kühlplatte“, die die Wärme von der Elektronik weg zu den Heizkörpern leitet, die sie wieder abgeben. Für fortgeschrittene Elektronik ist dies jedoch möglicherweise nicht immer ausreichend.

Hopkins glaubt, dass der überarbeitete Aufbau so etwas wie ein Roboterarm sein könnte, der sich als Reaktion auf Temperaturänderungen bewegt, mit einer kurzen Nahelektrode, die heiße Stellen abschneidet.

„Dieser Plasmastrahl ist wie ein Laserstrahl; Es ist wie ein Blitz“, sagte Hopkins. „Es kann extrem lokalisiert sein.“

Coole Tatsache: Plasma kann Temperaturen erreichen, die so heiß sind wie die Oberfläche der Sonne. Aber es scheint auch diese seltsame Eigenschaft zu haben – eine, die den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen scheint. Wenn es auf eine Oberfläche trifft, kühlt es tatsächlich ab, bevor es erhitzt wird.

Hopkins und sein Mitarbeiter Scott Walton vom US Navy Research Laboratory machten die unerwartete Entdeckung vor einigen Jahren, kurz bevor die Pandemie ausbrach.

„Ich bin darauf spezialisiert, sehr, sehr schnelle und sehr, sehr kleine Temperaturmessungen durchzuführen“, sagte Hopkins über seine maßgeschneiderten mikroskopischen Instrumente, die spezielle Wärmeregister aufzeichnen können.

In ihrem Experiment feuerten sie einen violetten Plasmastrahl aus Helium durch eine mit Keramik ummantelte Hohlnadel. Das Ziel war eine vergoldete Oberfläche. Die Forscher entschieden sich für Gold, weil es inert ist, und sie wollten so weit wie möglich eine Oberflächenätzung durch den fokussierten Strahl vermeiden, die die Ergebnisse verfälschen könnte.

„Als wir also das Plasma einschalteten“, sagte Hopkins, „konnten wir die Temperatur sofort dort messen, wo das Plasma auftraf, und dann sehen, wie sich die Oberfläche veränderte.“ Wir sahen, wie die Oberfläche zuerst abkühlte und sich dann erwärmte.

„Wir waren einfach verwirrt darüber, warum das passierte, weil es immer und immer wieder passierte. Und es gab keine Informationen, aus denen wir schöpfen konnten, weil keine frühere Literatur in der Lage war, die Temperaturänderung mit der Präzision zu messen, die wir haben. Niemand hat es so schnell geschafft.“

In Zusammenarbeit mit dem damaligen UVA-Doktoranden John Tomko und weiteren Tests mit dem Navy-Labor kamen sie schließlich zu dem Schluss, dass die Oberflächenkühlung das Ergebnis des Sprengens einer ultradünnen, kaum sichtbaren Oberflächenschicht aus Kohlenstoff und Kohlenstoff gewesen sein muss Wassermoleküle.

Ein ähnlicher Vorgang geschieht, wenn nach dem Schwimmen kühles Wasser von unserer Haut verdunstet.

„Die Verdunstung von Wassermolekülen im Körper erfordert Energie; Es entzieht dem Körper Energie und deshalb ist einem kalt“, sagte der Professor. „In diesem Fall reißt das Plasma die absorbierten Spezies ab, Energie wird freigesetzt und diese kühlt ab.“

Die Mikroskope von Hopkins arbeiten nach einem Prozess namens „zeitaufgelöste optische Thermometrie“ und messen etwas, das „Thermoreflexion“ genannt wird.

Grundsätzlich gilt: Wenn das Oberflächenmaterial heißer ist, reflektiert es das Licht anders als wenn es kälter ist. Das spezielle Oszilloskop ist erforderlich, da das Plasma andernfalls alle direkt berührenden Temperaturmessgeräte vernichten würde.

Wie kalt ist also kalt? Sie stellten fest, dass sie die Temperatur um mehrere Grad und für einige Mikrosekunden senken konnten. Auch wenn das vielleicht nicht dramatisch erscheint, reicht es aus, um bei einigen elektronischen Geräten einen Unterschied zu machen.

Nach der Verzögerung durch die Pandemie veröffentlichten Hopkins und seine Mitarbeiter letztes Jahr ihre ersten Ergebnisse in Nature Communications.

Dann stellte sich die Frage: Könnten sie kälter reagieren und länger durchhalten?

Früher arbeitete das UVA-Labor mit von der Marine geliehener Ausrüstung – die so leicht und sicher war, dass sie oft für Schulvorführungen verwendet wurde – und verfügt nun dank des Zuschusses der Luftwaffe über einen eigenen Aufbau.

Das Team untersucht, wie Variationen des ursprünglichen Designs das Gerät verbessern könnten. Die Doktoranden Sara Makarem Hoseini und Daniel Hirt erwägen Gase, Metalle und Oberflächenbeschichtungen, auf die das Plasma abzielen kann.

Hirt hat ein Labor-Update bereitgestellt.

“We haven’t really explored the use of different gasses yet, as we’re still working with helium,” he said. “We have experimented so far with different metals, such as gold and copper, and semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Halbleiter, und jedes Material bietet seinen eigenen Spielplatz für die Untersuchung, wie Plasma mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften interagiert.

„Da das Plasma aus einer Vielzahl unterschiedlicher Partikel besteht, können wir durch eine Änderung der Art des verwendeten Gases sehen, wie sich jedes einzelne dieser Partikel auf die Materialeigenschaften auswirkt.“

Hirt sagte, die Zusammenarbeit mit Hopkins an einem Projekt mit solch bedeutenden Auswirkungen habe sein Interesse an der Forschung neu belebt, was zum großen Teil auf die unterstützende Laborumgebung zurückzuführen sei, die der Professor pflegt.

„Ich habe das Gefühl, dass es Tag und Nacht ist, nicht nur meine Zeit als Wissenschaftler, sondern auch meine Freude an der Wissenschaft mit der heutigen zu vergleichen“, sagte er.

Referenz: „Ultrafast and Nanoscale Energy Transduction Mechanisms and Coupled Thermal Transport across Interfaces“ von Ashutosh Giri, Scott G. Walton, John Tomko, Niraj Bhatt, Michael J. Johnson, David R. Boris, Guanyu Lu, Joshua D. Caldwell, Oleg V. Prezhdo und Patrick E. Hopkins, 17. Juli 2023, ACS Nano.DOI: 10.1021/acsnano.3c02417

Finanzierung: US Air Force