En utilisant leur programme d'optimisation de topologie/forme hybride -- HyTopS -- les chercheurs de l'Université Drexel peuvent concevoir des matériaux de refroidissement, qui s'inspirent du système circulatoire du corps, optimisé pour n'importe quelle surface ou fonction. (En photo ici les chercheurs Ahmad Najafi, Doctorat.; et Reza Pejman, de l'Université Drexel.) Crédit :Université Drexel
Le réseau complexe de veines qui nous maintient au frais pendant la chaleur de l'été a inspiré les ingénieurs à créer de nouveaux systèmes de gestion thermique. Mais en reproduisant le système circulatoire, dans la forme ou la fonction, n'a pas été une tâche facile. Récemment, une équipe de chercheurs de l'Université Drexel et de l'Université d'État de Caroline du Nord ont créé une plate-forme de calcul qui pourrait être la clé pour imiter le système de refroidissement optimisé évolutif du corps. Microvascularisation
Dans une étude publiée dans le Journal international du transfert de chaleur et de masse , Ahmad Najafi, Doctorat., professeur au Collège d'ingénierie de Drexel, et son professeur collaborateur, Jason Patrick, Doctorat., de l'Université d'État de Caroline du Nord, rapport sur la façon dont une technique informatique qu'ils ont développée peut produire rapidement des conceptions pour l'impression 3D de matériaux composites en fibre de carbone avec un système vasculaire interne optimisé pour le refroidissement actif.
"Quand tu as chaud, le corps envoie un signal au système circulatoire pour pomper plus de sang à la surface de la peau - c'est pourquoi nous avons parfois le visage rouge ", a déclaré Najafi. " C'est une méthode naturelle pour dissiper la chaleur qui fonctionne si bien, les scientifiques et les ingénieurs essaient depuis des années de reproduire dans des systèmes de refroidissement mécaniques, comme ceux qui empêchent les voitures et les ordinateurs de surchauffer."
Le dernier article de Najafi et Patrick décrit une plate-forme intégrée pour concevoir et créer des composites microvasculaires bioinspirés qui peuvent faire exactement cela.
En quelques minutes, leur programme informatique, a inventé HyTopS, qui est l'abréviation de topologie hybride/optimisation de forme, peut produire un schéma d'un réseau vasculaire avec la forme idéale, la taille et la distribution des micro-vaisseaux pour refroidir activement un matériau via la circulation de liquide - une astuce qui a pris à Mère Nature plus que quelques cycles d'évolution pour se perfectionner.
Des fibres composites microvasculaires sont actuellement en cours de développement pour tout refroidir, des véhicules électriques aux avions de nouvelle génération, où des performances de plus en plus élevées augmentent la chaleur qu'ils génèrent.
"Ces matériaux modernes pourraient tout révolutionner, des véhicules spatiaux hypersoniques aux emballages de batteries dans les voitures électriques et même aux systèmes de refroidissement des superordinateurs. À mesure que les choses vont plus vite, et la production d'énergie et la puissance de calcul continuent d'augmenter, une énorme quantité de chaleur est générée qui nécessite de nouvelles approches de refroidissement, " a déclaré Patrick. " Inspiré par les systèmes circulatoires des organismes vivants, la micro-vascularisation interne fournit un moyen efficace de régulation thermique dans les matériaux synthétiques."
Des chercheurs de l'Université Drexel ont créé un programme qui optimise la configuration microvasculaire des matériaux qui pourraient être utilisés pour refroidir la technologie qui fonctionne à chaud, comme les ordinateurs et les automobiles. Crédit :Université Drexel
Cette branche de la recherche bioinspirée n'existe que depuis une dizaine d'années, mais les résultats qu'il a générés sont déjà assez prometteurs, selon Najafi/Patrick qui a commencé sa carrière universitaire à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign en développant des matériaux microvasculaires pour l'auto-guérison, refroidissement actif et au-delà.
Une partie de leur récent objectif de recherche consiste à remplacer les systèmes métalliques plus traditionnels qui transfèrent la chaleur via l'eau ou l'air. Bien qu'il s'agisse d'une solution fiable, quiconque a transporté une unité de fenêtre de climatisation comprendra sûrement pourquoi un système de refroidissement différent serait une amélioration pour tout véhicule ou composant qui essaie de réduire le poids.
« Les composites microvasculaires offrent de nombreux avantages par rapport aux systèmes de refroidissement par liquide et par air existants, principalement, ils sont beaucoup plus légers avec une résistance comparable, mais ils sont également très durables, ce qui est important si l'on considère l'effet généralisé de la corrosion sur les composants métalliques, " Najafi triste. " Et si vous considérez ces facteurs parmi d'autres, il est facile de voir pourquoi ils sont recherchés dans l'aérospatiale, secteurs de l'automobile et de l'énergie.
Pour mettre leur méthode d'optimisation à l'épreuve, les chercheurs ont conçu et construit un composite microvasculaire en fibre de carbone à l'aide de l'impression 3D et testé ses capacités de refroidissement par rapport à une conception de référence issue d'études antérieures. Après avoir chauffé les composites de carbone à une température maximale, du liquide de refroidissement (similaire à celui de votre voiture) a été pompé à travers chaque réseau vasculaire pour commencer le processus de refroidissement.
Le composite de carbone optimisé HyTopS n'était pas seulement plus froid, mais plus uniforme en termes de distribution de température de surface, et a pu refroidir plus rapidement que la conception de référence.
En plus des performances supérieures du matériau optimisé, l'avantage de la méthode HyTopS est qu'elle calcule automatiquement l'impact des changements de diamètre et de disposition des canaux, ainsi que la façon dont ils sont connectés les uns aux autres. Il prend en considération la composition du matériau et la géométrie globale du système à refroidir et les caractéristiques de transfert de chaleur correspondantes. Et il prend en compte les paramètres liés au processus de fabrication, la conception finale est donc un matériau microvasculaire réaliste qui peut être fabriqué par impression 3D ou par d'autres approches de fabrication accessibles.
"Il est presque impossible de reproduire toute la complexité des microvasculaires naturels, mais notre programme permet de nombreuses optimisations et prend en compte les paramètres de fabrication pour s'assurer que la conception peut réellement être construite, ", a déclaré Najafi.
L'équipe collaborative a l'intention d'utiliser la méthode HyTopS pour explorer d'autres aspects intrigants et interdisciplinaires des composites microvasculaires, y compris la mécanique des structures et l'électromagnétisme.
