La compleja red de venas que nos mantiene frescos durante el calor del verano ha inspirado a los ingenieros a crear nuevos sistemas de gestión térmica. Pero replicar el sistema circulatorio, en forma o función, no ha sido una tarea fácil. Recientemente, un equipo de investigadores deLa Universidad de Drexel y la Universidad Estatal de Carolina del Norte han creado una plataforma computacional que podría ser la clave para imitar el sistema de enfriamiento optimizado evolutivo del cuerpo.
En un estudio publicado en el Revista internacional de transferencia de calor y masa , Ahmad Najafi, PhD, profesor en la Facultad de Ingeniería de Drexel, y su colaborador de la facultad, Jason Patrick, PhD, de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, informan sobre cómo una técnica computacional que desarrollaron puede producir rápidamente diseños para la impresión 3D de fibra de carbonomateriales compuestos con una vasculatura interna optimizada para enfriamiento activo.
"Cuando te calientas, el cuerpo envía una señal al sistema circulatorio para bombear más sangre a la superficie de la piel, es por eso que a veces nos ponemos rojos en la cara", dijo Najafi. "Este es un método natural paradisipando el calor que funciona tan bien, los científicos e ingenieros han intentado durante años replicarse en sistemas de enfriamiento mecánico, como los que evitan el sobrecalentamiento de automóviles y computadoras ".
El último artículo de Najafi y Patrick describe una plataforma integrada para diseñar y crear compuestos microvasculares bioinspirados que pueden hacer exactamente eso.
En minutos, su programa de computadora, HyTopS acuñado, que es la abreviatura de topología híbrida / optimización de forma, puede producir un esquema para una red vascular con la forma, el tamaño y la distribución ideales de micro vasos para enfriar activamente un material mediante circulación de líquido- un truco que llevó a la Madre Naturaleza a perfeccionar más que unos pocos ciclos evolutivos.
Actualmente, los compuestos de fibra microvascular se están desarrollando para enfriar todo, desde vehículos eléctricos hasta aviones de próxima generación, donde un rendimiento cada vez mayor aumenta el calor que generan.
"Estos materiales modernos podrían revolucionar todo, desde vehículos espaciales hipersónicos hasta embalajes de baterías en autos eléctricos e incluso sistemas de enfriamiento de supercomputadoras. A medida que las cosas se mueven más rápido, y la producción de energía y la potencia informática continúan aumentando, se genera una enorme cantidad de calor que requiere nuevasenfoques de enfriamiento ", dijo Patrick." Inspirado por los sistemas circulatorios en los organismos vivos, la microvasculatura interna proporciona un medio eficaz para la regulación térmica en materiales sintéticos ".
Esta rama de la investigación basada en bioinspiraciones solo ha existido durante una década más o menos, pero los resultados que ha generado ya son bastante prometedores, según Najafi / Patrick, quien comenzó sus carreras académicas en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign desarrollando microvascularmateriales para autocuración, enfriamiento activo y más allá.
Parte de su reciente investigación es reemplazar los sistemas metálicos más tradicionales que transfieren calor a través del agua o el aire. Si bien ha sido una solución confiable, cualquiera que haya llevado una unidad de ventana de aire acondicionado seguramente entenderá por qué un sistema de enfriamiento diferente sería unmejora para cualquier vehículo o componente que intente reducir peso.
"Los compuestos microvasculares ofrecen muchas ventajas sobre los sistemas de refrigeración líquida y de aire existentes, principalmente, son mucho más livianos con una resistencia comparable, pero también son muy duraderos, lo cual es importante si considera el efecto generalizado de la corrosión en los componentes metálicos,"Najafi triste". Y si considera estos entre otros factores, es fácil ver por qué se buscan en los sectores aeroespacial, automotriz y energético ".
Para poner a prueba su método de optimización, los investigadores diseñaron y construyeron un compuesto microvascular de fibra de carbono usando impresión 3D y probaron sus capacidades de enfriamiento contra un diseño de referencia de estudios anteriores. Después de calentar los compuestos de carbono a una temperatura máxima, líquidose bombeó refrigerante similar al de su automóvil a través de cada red vascular para comenzar el proceso de enfriamiento.
El compuesto de carbono optimizado para HyTopS no solo era más frío, sino más uniforme en términos de distribución de la temperatura de la superficie y podía enfriarse más rápido que el diseño de referencia.
Además del rendimiento superior del material optimizado, la ventaja del método HyTopS es que calcula automáticamente el impacto de los cambios en el diámetro y la disposición de los canales, así como la forma en que están conectados entre sí. Tiene en cuentala composición del material y la geometría general del sistema que se está enfriando y las características de transferencia de calor correspondientes, y tiene en cuenta los parámetros relacionados con el proceso de fabricación, por lo que el diseño final es un material microvascular realista que puede fabricarse mediante impresión 3D u otros enfoques de fabricación accesibles.
"Es casi imposible reproducir toda la complejidad de los microvasculares naturales, pero nuestro programa permite una gran cantidad de entrada de optimización y considera los parámetros de fabricación para garantizar que el diseño se pueda construir realmente", dijo Najafi.
El equipo de colaboración tiene la intención de utilizar el método HyTopS para explorar otros aspectos interesantes e interdisciplinarios de los compuestos microvasculares, incluida la mecánica estructural y la electromagnética.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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