Kỹ thuật in

Các nhà khoa học phát triển bộ trao đổi nhiệt chạy bằng nhiên liệu phản lực sử dụng công nghệ in 3D

Các nhà nghiên cứu tại Đại học RMIT , Úc, đã phát triển một bộ thiết bị làm mát in 3D thế hệ tiếp theo có thể là chìa khóa để giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của chuyến bay siêu âm.

Các chất xúc tác in 3D, như chúng được gọi, về cơ bản là các chất trao đổi nhiệt bằng kim loại được phủ trong các khoáng chất tổng hợp được gọi là zeolit. Chúng tiết kiệm chi phí để in và dễ mở rộng quy mô và sử dụng nhiên liệu máy bay làm chất làm mát để kiểm soát nhiệt độ của môi trường xung quanh chúng. Nhóm nghiên cứu tin rằng tiến bộ có thể giải quyết vấn đề quá nóng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như bay siêu âm.

Tiến sĩ Selvakannan Periasamy, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết “Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của chúng tôi cho thấy các chất xúc tác in 3D mà chúng tôi đã phát triển có hứa hẹn lớn để thúc đẩy tương lai của chuyến bay siêu âm. Mạnh mẽ và hiệu quả, chúng cung cấp một giải pháp tiềm năng thú vị để quản lý nhiệt trong ngành hàng không – và hơn thế nữa. Với sự phát triển hơn nữa, chúng tôi hy vọng thế hệ xúc tác in 3D siêu hiệu quả mới này có thể được sử dụng để biến đổi bất kỳ quy trình công nghiệp nào mà quá nóng là một thách thức chưa từng có. ”

A range of experimental designs for the 3D printed catalysts. Photo via RMIT University.
Một loạt các thiết kế thử nghiệm cho các chất xúc tác in 3D. Ảnh qua Đại học RMIT.

Vấn đề kiểm soát nhiệt độ

Chuyến bay siêu âm được định nghĩa là tốc độ trên Mach 5 (gấp năm lần tốc độ âm thanh), hoặc 6, 500 km trên giờ. Chạy ở vận tốc tối đa, về mặt lý thuyết, một máy bay siêu thanh có thể di chuyển từ châu Âu đến Australia trong vòng chưa đầy ba giờ. Thật không may, chỉ có một số máy bay thử nghiệm được chọn đạt tốc độ Mach 5, vì có một số thách thức kỹ thuật khiến nó trở nên vô cùng khó khăn. Một trong những trở ngại lớn nhất là giữ cho máy bay mát mẻ, vì di chuyển với tốc độ như vậy sẽ tạo ra nhiệt độ cực cao.

Theo đồng tác giả Roxanne Hubesch, sử dụng lại nhiên liệu làm chất làm mát là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất để xử lý vấn đề quá nhiệt.

Cô cho biết thêm, “Nhiên liệu có thể hấp thụ nhiệt khi cung cấp năng lượng cho máy bay là trọng tâm chính của các nhà khoa học, nhưng ý tưởng này dựa trên các phản ứng hóa học tiêu thụ nhiệt cần chất xúc tác hiệu quả cao.”

Do hạn chế về kích thước và khối lượng của các bộ phận máy bay siêu thanh, các chất xúc tác cần phải càng nhỏ càng tốt. Do đó, nhóm đã sử dụng kỹ thuật in 3D SLM để sản xuất bộ trao đổi nhiệt và phủ chúng bằng zeolit, biến chúng thành chất xúc tác có thể sử dụng cuối cùng.

Developed as part of NASA’s Hyper-X program, the X-43A hypersonic research vehicle reached speeds above Mach 9.6 in 2004. Image via NASA.
Được phát triển như một phần của chương trình Hyper-X của NASA, X – 43 Một phương tiện nghiên cứu siêu thanh đạt tốc độ trên Mach 9,6 in 2004. Hình ảnh qua NASA.

Một lò phản ứng hóa học quy mô nhỏ

Vậy thực tế các chất xúc tác hoạt động như thế nào? Khi các cấu trúc in 3D tiếp xúc với nhiệt, một số vật liệu kim loại cơ bản sẽ di chuyển vào lớp phủ zeolit. Đây là điều cho phép phản ứng thu nhiệt (hấp thụ nhiệt) trong nhiên liệu chảy qua cấu trúc in, làm mát môi trường xung quanh trong quá trình này. Khi kiểm tra chức năng của các chất xúc tác được in trong phòng thí nghiệm với nhiệt độ và áp suất mô phỏng, các nhà nghiên cứu nhận thấy chúng có 'hiệu quả chưa từng có'.

Hubesch giải thích: “Các chất xúc tác in 3D của chúng tôi giống như những lò phản ứng hóa học thu nhỏ và điều khiến chúng trở nên vô cùng hiệu quả là hỗn hợp kim loại và khoáng chất tổng hợp. “Đó là một hướng mới thú vị cho xúc tác, nhưng chúng tôi cần nghiên cứu thêm để hiểu đầy đủ về quá trình này và xác định sự kết hợp tốt nhất của các hợp kim kim loại để có tác động lớn nhất.”

Trong tương lai, nhóm RMIT dự định tối ưu hóa các chất xúc tác in 3D với việc sử dụng kỹ thuật đồng bộ hóa tia X và các phương pháp phân tích tiên tiến khác. Hy vọng rằng các ứng dụng tiềm năng của công nghệ có thể được mở rộng để kiểm soát ô nhiễm không khí cho xe cộ và các thiết bị chất lượng không khí cho không gian trong nhà.

Suresh Bhargava, Giám đốc Trung tâm Vật liệu Tiên tiến và Hóa học Công nghiệp của RMIT, cho biết “Thế hệ xúc tác thứ ba này có thể được liên kết với in 3D để tạo ra những thiết kế phức tạp mới mà trước đây không thể thực hiện được. Các chất xúc tác in 3D mới của chúng tôi đại diện cho một cách tiếp cận mới triệt để có tiềm năng thực sự để cách mạng hóa tương lai của xúc tác trên toàn thế giới. ”

Các chi tiết khác của nghiên cứu có thể được tìm thấy trong bài báo có tiêu đề ' Zeolit ​​trên cấu trúc khung kim loại mở được in 3D: sự di chuyển kim loại vào zeolit ​​thúc đẩy sự nứt vỡ xúc tác của nhiên liệu thu nhiệt cho chuyến bay xe cộ'. Nó được đồng tác giả bởi Suresh Bhargava, Roxanne Hubesch, Selvakannan Periasamy, et al.

Làm mát tích cực: ứng dụng in 3D

Một trong những ứng dụng thích hợp hơn của công nghệ in 3D là các thiết bị làm mát tích cực. Mới tháng trước, một nhóm các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã sử dụng in 3D để tạo ra một siêu vật liệu mới, có thể cấu hình cao với các đặc tính nhiệt và điện từ có thể sửa đổi . Khả năng cấu hình lại của siêu vật liệu làm cho nó trở nên đa chức năng, với các ứng dụng tiềm năng trong việc làm mát tích cực cho bộ vi xử lý, máy bay và các tòa nhà.

Ở những nơi khác, nhà sản xuất máy in 3D Hệ thống 3D trước đây đã hợp tác với Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu, CERN , thành phần làm mát in 3D cho Máy va chạm Hadron Lớn ( LHC). Cụ thể, các đối tác đã sử dụng DMP Flex 350 Hệ thống PBF để in một bộ thanh mát titan tùy chỉnh để sử dụng trong các thí nghiệm phát hiện hạt – các thành phần mà nếu không thì không thể sản xuất được.

Đăng ký Bản tin ngành in 3D để biết tin tức mới nhất về sản xuất phụ gia. Bạn cũng có thể giữ kết nối bằng cách theo dõi chúng tôi trên Twitter , thích chúng tôi trên Facebook và điều chỉnh Kênh YouTube của ngành in 3D .

Tìm kiếm một nghề nghiệp trong sản xuất phụ gia? Chuyến thăm Công việc in 3D để lựa chọn các vai trò trong ngành.

Hình ảnh nổi bật cho thấy một loạt các thiết kế thử nghiệm cho các chất xúc tác in 3D. Ảnh qua Đại học RMIT.

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button