揭開沸騰的隱藏力量 — 為能源、太空及更多領域
副教授馬特奧·布奇的研究為這一古老過程帶來新見解，旨在提升多種工業系統中的熱傳遞效率。
大多數人對沸水並不在意，但對於副教授馬特奧·布奇來說，揭示沸騰背後的物理學是一段長達十年的旅程，期間充滿了意想不到的挑戰和新見解。
這一看似簡單的現象在核反應堆等複雜系統中極難研究，但它卻是多種重要工業過程的核心。揭開其秘密將使高效能源生產、電子冷卻、海水淡化、醫療診斷等領域實現進步。
“沸騰對於超越核能的應用至關重要，”布奇說。他於七月獲得麻省理工學院的終身教職。“沸騰在80%的發電廠中都有應用。我的研究對太空推進、能源儲存、電子產品以及日益重要的計算機冷卻任務都有影響。”
布奇的實驗室開發了新的實驗技術，以揭示長期以來限制能源項目的各種沸騰和熱傳遞現象。其中最主要的問題是氣泡形成過快，導致表面上形成一層蒸汽帶，阻礙進一步的熱傳遞。在2023年，布奇和合作夥伴們開發了一個統一原則來解釋這一問題，稱為“沸騰危機”，這可能使核反應堆更高效，並防止災難性故障。
對布奇來說，每一次進展都帶來新的可能性和新的問題需要解答。
“最好的論文是什麼？”布奇問道。“最好的論文是下一篇。我想阿爾弗雷德·希區柯克曾經說過，你最後一部電影再好也不重要。如果下一部電影糟糕，人們就不會記得它。我總是告訴我的學生，我們的下一篇論文應該比上一篇更好。這是一段不斷改進的旅程。”
從工程到氣泡
布奇成長的意大利小村莊在他童年時期的人口約為1000人。他在父親的機械廠工作中獲得了機械技能，並通過拆解和重組洗衣機和空調等家電來了解內部結構。他還熱愛自行車競賽，直到在比薩大學攻讀本科和研究生學位。
在大學期間，布奇對物質及生命的起源感到著迷，但他也喜歡建造東西，因此在選擇物理學和工程學時，他決定核工程是一個不錯的折衷選擇。
“我對建造和理解事物的製作過程充滿熱情，”布奇說。“核工程是一個非常不可能但又顯而易見的選擇。在意大利，核能已經不再是能源領域的一部分，所以我們這類人非常少。同時，它結合了智力和實踐挑戰，這正是我所喜歡的。”
為了獲得博士學位，布奇前往法國，在那裡遇見了他的妻子，並在一家法國國家實驗室工作。一天，他的部門主管要求他解決一個與核反應堆安全有關的問題，稱為瞬態沸騰。為了解決這個問題，他想使用麻省理工學院教授雅各波·布翁喬諾開創的測量方法，因此他獲得了資助，於2013年成為麻省理工學院的訪問科學家。自此以後，他一直在麻省理工學院研究沸騰。
如今，布奇的實驗室正在開發新的診斷技術來研究沸騰和熱傳遞，以及新材料和塗層，以提高熱傳遞效率。這項工作讓研究人員前所未有地了解核反應堆內部的條件。
“我們開發的診斷技術可以在一天的實驗中收集相當於20年實驗工作的數據，”布奇說。
這些數據反過來使布奇得出了描述沸騰危機的簡單模型。
“核反應堆包覆材料表面上的沸騰過程的有效性決定了反應堆的效率和安全性，”布奇解釋道。“這就像一輛你想加速的汽車，但有一個上限。對於核反應堆來說，這個上限由沸騰熱傳遞決定，因此我們有興趣了解這個上限是什麼以及如何克服它，以提升反應堆的性能。”
另一個特別有影響力的研究領域是雙相浸沒冷卻，這是一個過程，其中熱伺服器部件使液體沸騰，然後產生的蒸汽在上方的熱交換器上凝結，形成一個持續的被動冷卻循環。
“這種方法能以最小的能量浪費保持芯片冷卻，大幅降低數據中心的電力消耗和二氧化碳排放，”布奇解釋說。“數據中心的二氧化碳排放量與整個航空業相當。到2040年，它們將佔據超過10%的排放量。”
支持學生
布奇表示，與學生的合作是他工作中最有成就感的部分。“他們充滿熱情和能力。與有著相同熱情的人合作令人振奮。”
“我的學生們對探索新想法毫無畏懼，”布奇補充道。“他們幾乎從不會在障礙面前停下來——有時甚至需要你讓他們減速，讓他們重回正軌。”
在核科學與工程系的紅色實驗室中，布奇試圖在給予學生獨立性的同時提供支持。
“我們不是在教育學生，而是在培養未來的研究者，”布奇說。“我認為我們工作的最重要部分不僅是提供工具，還是給予信心和自我啟動的態度來解決問題。這可能是業務問題，實驗問題，或是和實驗室同事的問題。”
布奇的學生們進行的一些獨特實驗需要他們在飛機自由落體時收集數據，以實現零重力環境。
“太空研究是所有孩子的大幻想，”布奇說，他每年會和學生一起參加實驗約兩次。“這對學生來說是非常有趣和鼓舞人心的研究。零重力的經歷讓你對生活有了全新的視角。”
應用人工智能
布奇對於在他的領域中融入人工智能感到興奮。在2023年，他成為一個多所大學研究倡議（MURI）項目的共同獲得者，專注於熱科學的機器學習。為了迎合人工智能在他領域的潛力，布奇最近還創立了一本名為《AI Thermal Fluids》的期刊，專門報導基於AI的研究進展。
“我們的社區沒有一個專門的場所讓希望發展機器學習技術的人聚集，”布奇說。“我們希望創建一個讓計算機科學家和熱科學家一起合作進步的途徑。我認為我們真的需要將計算機科學家帶入我們的社區，以加速這一進程。”
布奇還認為，人工智能可以用來處理他所開發的新實驗技術所收集的大量數據，並對研究人員尚未研究的現象進行建模。
“人工智能可能會給我們提供理解那些無法觀察的事物的機會，或者至少在我們試圖找到許多問題的根本原因時引導我們走出黑暗，”布奇說。
這篇文章不僅展示了布奇在熱科學和核工程領域的創新研究，還強調了他對學生的支持和未來研究者的培養。隨著科技的迅速發展，尤其是人工智能的崛起，未來在熱傳遞和能源效率方面的研究將可能帶來革命性的變化。這不僅關乎學術界的進步，也將對全球能源及環境挑戰帶來深遠的影響。布奇的工作提醒我們，科學研究的旅程永無止境，每一個新發現都為我們開啟新的可能性。
以上文章由特價GPT API KEY所翻譯及撰寫。而圖片則由FLUX根據內容自動生成。
