Für die meisten Menschen ist kochendes Wasser eine Selbstverständlichkeit. Für außerordentlichen Professor Matteo Bucci warfare die Entdeckung der Physik hinter dem Sieden eine jahrzehntelange Reise voller unerwarteter Herausforderungen und neuer Erkenntnisse.
Das scheinbar einfache Phänomen ist in komplexen Systemen wie Kernreaktoren äußerst schwer zu untersuchen und steht dennoch im Mittelpunkt einer Vielzahl wichtiger industrieller Prozesse. Die Enthüllung seiner Geheimnisse könnte somit Fortschritte in der effizienten Energieerzeugung, Elektronikkühlung, Wasserentsalzung, medizinischen Diagnostik und mehr ermöglichen.
„Sieden ist wichtig für Anwendungen weit über die Kernenergie hinaus“, sagt Bucci, der im Juli eine Anstellung am MIT erhielt. „Kochen wird in 80 Prozent der Kraftwerke zur Stromerzeugung eingesetzt. Meine Forschung hat Auswirkungen auf Raumfahrtantriebe, Energiespeicherung, Elektronik und die immer wichtiger werdende Aufgabe, Laptop zu kühlen.“
Buccis Labor hat neue experimentelle Techniken entwickelt, um Licht auf ein breites Spektrum von Siede- und Wärmeübertragungsphänomenen zu werfen, die Energieprojekte seit Jahrzehnten begrenzt haben. Das Hauptproblem besteht darin, dass sich Blasen so schnell bilden, dass sie ein Dampfband auf einer Oberfläche bilden, das eine weitere Wärmeübertragung verhindert. Im Jahr 2023 entwickelten Bucci und Mitarbeiter ein vereinendes Prinzip Sie soll das als Siedekrise bekannte Drawback in den Griff bekommen, das effizientere Kernreaktoren ermöglichen und katastrophale Ausfälle verhindern könnte.
Für Bucci bringt jeder Fortschritt neue Möglichkeiten mit sich – und neue Fragen, die es zu beantworten gilt.
„Welches ist das beste Papier?“ fragt Bucci. „Das beste Papier ist das nächste. Ich glaube, Alfred Hitchcock hat immer gesagt, dass es egal ist, wie intestine der letzte Movie warfare. Wenn Ihr nächstes schlecht ist, werden sich die Leute nicht daran erinnern. Ich sage meinen Schülern immer, dass unsere nächste Arbeit immer besser sein sollte als die letzte. Es ist eine kontinuierliche Reise der Verbesserung.“
Von der Technik bis zu Blasen
Das italienische Dorf, in dem Bucci aufwuchs, hatte in seiner Kindheit etwa 1.000 Einwohner. Er eignete sich mechanische Fähigkeiten an, indem er in der Maschinenwerkstatt seines Vaters arbeitete und Geräte wie Waschmaschinen und Klimaanlagen auseinandernahm und wieder zusammenbaute, um zu sehen, was drin warfare. Er entwickelte auch eine Leidenschaft für den Radsport und nahm an Wettkämpfen in dieser Sportart teil, bis er die Universität von Pisa für Grund- und Masterstudien besuchte.
Im School warfare Bucci von Materie und den Ursprüngen des Lebens fasziniert, aber er baute auch gerne Dinge, und als es an der Zeit warfare, zwischen Physik und Ingenieurswesen zu wählen, entschied er, dass Nukleartechnik ein guter Mittelweg sei.
„Ich habe eine Leidenschaft für das Bauen und dafür, zu verstehen, wie Dinge hergestellt werden“, sagt Bucci. „Nukleartechnik warfare eine sehr unwahrscheinliche, aber naheliegende Wahl. Das warfare unwahrscheinlich, denn in Italien gab es die Kernkraft bereits nicht mehr in der Energielandschaft, additionally gab es nur sehr wenige von uns. Gleichzeitig gab es eine Kombination aus intellektuellen und praktischen Herausforderungen, was mir gefällt.“
Für seine Doktorarbeit ging Bucci nach Frankreich, wo er seine Frau kennenlernte und anschließend in einem französischen Nationallabor arbeitete. Eines Tages bat ihn sein Abteilungsleiter, an einem Drawback der Kernreaktorsicherheit zu arbeiten, das als transientes Sieden bekannt ist. Um das Drawback zu lösen, wollte er eine Messmethode verwenden, die von MIT-Professor Jacopo Buongiorno entwickelt wurde. Deshalb erhielt er 2013 ein Stipendium, um Gastwissenschaftler am MIT zu werden. Seitdem erforscht er das Sieden am MIT.
Heute entwickelt Buccis Labor neue Diagnosetechniken zur Untersuchung des Siedens und der Wärmeübertragung sowie neue Materialien und Beschichtungen, die die Wärmeübertragung effizienter machen könnten. Die Arbeit hat Forschern einen beispiellosen Einblick in die Bedingungen im Inneren eines Kernreaktors ermöglicht.
„Die von uns entwickelte Diagnostik kann das Äquivalent von 20 Jahren experimenteller Arbeit in einem eintägigen Experiment zusammenfassen“, sagt Bucci.
Diese Daten wiederum führten Bucci zu einem bemerkenswert einfachen Modell, das die kochende Krise beschreibt.
„Die Wirksamkeit des Siedeprozesses auf der Oberfläche der Kernreaktorverkleidung bestimmt die Effizienz und die Sicherheit des Reaktors“, erklärt Bucci. „Es ist wie bei einem Auto, das man beschleunigen möchte, aber es gibt eine Obergrenze. Bei einem Kernreaktor wird diese Obergrenze durch die Siedewärmeübertragung bestimmt. Daher sind wir daran interessiert, zu verstehen, was diese Obergrenze ist und wie wir sie überwinden können, um die Reaktorleistung zu verbessern.“
Ein weiterer besonders wirkungsvoller Forschungsbereich für Bucci ist die Zweiphasen-Tauchkühlung, ein Prozess, bei dem heiße Serverteile Flüssigkeit zum Kochen bringen und der entstehende Dampf dann an einem darüber liegenden Wärmetauscher kondensiert, um einen konstanten, passiven Kühlkreislauf zu erzeugen.
„Es hält Chips bei minimaler Energieverschwendung kalt und reduziert so den Stromverbrauch und die Kohlendioxidemissionen von Rechenzentren erheblich“, erklärt Bucci. „Rechenzentren stoßen genauso viel CO2 aus wie die gesamte Luftfahrtindustrie. Bis 2040 werden sie über 10 Prozent der Emissionen ausmachen.“
Unterstützung von Studierenden
Bucci sagt, die Arbeit mit Studenten sei der lohnendste Teil seiner Arbeit. „Sie haben eine so große Leidenschaft und Kompetenz. Es ist motivierend, mit Menschen zusammenzuarbeiten, die die gleiche Leidenschaft haben wie man.“
„Meine Schüler haben keine Angst davor, neue Ideen auszuprobieren“, fügt Bucci hinzu. „Sie bleiben quick nie vor einem Hindernis stehen – manchmal so weit, dass man sie abbremsen und wieder auf die Spur bringen muss.“
Durch die Leitung des Purple Lab im Fachbereich Nuklearwissenschaft und -technik versucht Bucci, den Studierenden sowohl Unabhängigkeit als auch Unterstützung zu bieten.
„Wir bilden keine Studenten aus, wir bilden zukünftige Forscher aus“, sagt Bucci. „Ich denke, der wichtigste Teil unserer Arbeit besteht nicht nur darin, die Werkzeuge bereitzustellen, sondern auch das Selbstvertrauen und die Eigeninitiative zu vermitteln, Probleme zu lösen.“ Das können geschäftliche Probleme, Probleme bei Experimenten, Probleme mit Ihren Laborkollegen sein.“
Bei einigen der einzigartigeren Experimente, die Buccis Schüler durchführen, müssen sie während des freien Falls in einem Flugzeug Messungen durchführen, um die Schwerelosigkeit zu erreichen.
„Weltraumforschung ist der große Traum aller Kinder“, sagt Bucci, der die Schüler etwa zweimal im Jahr bei den Experimenten begleitet. „Es ist eine sehr unterhaltsame und inspirierende Forschung für Studierende. Zero g gibt einem eine neue Perspektive auf das Leben.“
KI anwenden
Bucci ist auch begeistert davon, künstliche Intelligenz in sein Fachgebiet zu integrieren. Im Jahr 2023 warfare er Mitempfänger eines Multi-College Analysis Initiative (MURI)-Projekts in der thermischen Wissenschaft, das sich ausschließlich dem maschinellen Lernen widmete. In Anspielung auf das Versprechen, das KI in seinem Fachgebiet verspricht, gründete Bucci kürzlich auch eine Zeitschrift mit dem Titel KI-Thermoflüssigkeiten um KI-gesteuerte Forschungsfortschritte zu präsentieren.
„Unsere Group bietet kein Zuhause für Leute, die Techniken des maschinellen Lernens entwickeln wollen“, sagt Bucci. „Wir wollten eine Möglichkeit für Menschen in der Informatik und der Wärmewissenschaft schaffen, zusammenzuarbeiten, um Fortschritte zu erzielen. Ich denke, wir müssen wirklich Informatiker in unsere Gemeinschaft holen, um diesen Prozess zu beschleunigen.“
Bucci glaubt auch, dass KI dazu genutzt werden kann, riesige Mengen an Daten zu verarbeiten, die mit den von ihm entwickelten neuen experimentellen Techniken gesammelt wurden, sowie um Phänomene zu modellieren, die Forscher noch nicht untersuchen können.
„Es ist möglich, dass KI uns die Möglichkeit gibt, Dinge zu verstehen, die nicht beobachtet werden können, oder uns zumindest im Dunkeln zu führen, während wir versuchen, die Grundursachen vieler Probleme zu finden“, sagt Bucci.