Ένα μεγάλο ταξίδι εντυπωσιακών επιτευγμάτων και σημαντικής παρουσίας της Ελλάδας στην νέα εποχή εξερεύνησης του Διαστήματος έφτασε στον προορισμό του με την επιτυχή ολοκλήρωση της λειτουργίας στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό της πειραματικής συσκευής RUBI, για την οποία εργάστηκε η ομάδα Δυναμικής Πολυφασικών Συστημάτων του Tμήματος Χημείας του ΑΠΘ.

Η ιστορική διαδρομή των Ελλήνων επιστημόνων που συνεργάστηκαν σε μία πολυεθνική ομάδα με συναδέλφους τους από Πανεπιστήμια και Ερευνητικά ιδρύματα της Γερμανίας, Γαλλίας, Ιταλίας, ΗΠΑ, Ρωσίας και Ιαπωνίας, ξεκίνησε μετρώντας σχεδόν δέκα χρόνια προετοιμασίας. Έπειτα από 350 ημέρες στο διάστημα έχει να παρουσιάσει τον απολογισμό για περισσότερα από 4.500 πειράματα, τα οποία καθώς θα βρουν πλέον πρακτική εφαρμογή σε εκατοντάδες τεχνολογικά πεδία, αναμένεται να διευκολύνουν τη ζωή των ανθρώπων με πολλούς τρόπους.

Η πειραματική συσκευή RUBI (Reference MUltiscale experiment for Boiling Investigation) απενεργοποιήθηκε το Σάββατο 23 Ιανουαρίου 2021. Η ομάδα Δυναμικής Πολυφασικών Συστημάτων του Tμήματος Χημείας του ΑΠΘ, με επικεφαλής τον καθηγητή Θοδωρή Καραπάντσιο, ο οποίος είναι εθνικός εκπρόσωπος στον ΕΟΔ στον τομέα της Εξερεύνησης του Διαστήματος και των Επανδρωμένων Αποστολών, είχε την ευθύνη του χειρισμού σε πραγματικό χρόνο και της εκτέλεσης πειραμάτων από το Απομακρυσμένο Κέντρο Τηλεμετρίας (Remote Telemetry Station) στο Τμήμα Χημείας του ΑΠΘ.

«Η επιτυχής ολοκλήρωση του διαστημικού πειράματος είναι μία στιγμή συγκίνησης και υπερηφάνειας για την πανεπιστημιακή μας οικογένεια και συνολικά για την ελληνική ερευνητική κοινότητα. Περιποιεί ιδιαίτερη τιμή για τη χώρα και το ελληνικό δημόσιο πανεπιστήμιο η συμμετοχή Ελλήνων επιστημόνων σε τέτοια εμβληματικά έργα, τα αποτελέσματα των οποίων αφορούν την πρόοδο της ανθρωπότητας», δήλωσε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο πρύτανης του ΑΠΘ, καθ. Νίκος Παπαϊωάννου, προσθέτοντας ότι «η εκπόνηση διδακτορικών διατριβών από φοιτητές του Αριστοτελείου σε έργα που αφορούν την κατάκτηση του διαστήματος, συνιστά παρακαταθήκη και εχέγγυο για μεγαλύτερες επιτυχίες στο μέλλον και ακόμη πιο δυναμική συμμετοχή ομάδων μας σε επόμενες αποστολές και μεγάλες διεθνείς συνεργασίες».

«Τι εξετάστηκε στα 4500 πειράματα»

Τα πειράματα στη συσκευή RUBI αφορούσαν στην μελέτη του βρασμού ψυκτικών υγρών σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο βρασμός υπό την επίδραση πεδίου εξωτερικών δυνάμεων όπως π.χ. οι δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά τη ροή των υγρών εντός σωληνώσεων ψυκτικών συσκευών καθώς και κατά την εφαρμογή ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων. Οι δυνάμεις αυτές επηρεάζουν την αποκόλληση των φυσαλίδων ατμού από την επιφάνεια βρασμού και επομένως καθορίζουν την απόδοση του βρασμού. Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας μηδενίζεται η επίδραση της άνωσης και έτσι μπόρεσαν να μελετηθούν τα φαινόμενα του βρασμού με μεγάλη λεπτομέρεια και σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους.

Η αποστολή έλαβε χώρα σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση διήρκεσε από τον Ιούλιο 2019 μέχρι τον Μαρτίου 2020 και η δεύτερη φάση από τον Οκτώβριο 2020 μέχρι τον Ιανουάριο 2021. «Κατά τη διάρκεια της αποστολής έγιναν περισσότερα από 4500 πειράματα –1500 διαφορετικοί συνδυασμοί πειραματικών παραμέτρων επί 3 επαναλήψεις. Σε όλα τα πειράματα λαμβάναμε στο ΑΠΘ μέσω δορυφόρου δεδομένα τηλεμετρίας, που αφορούσαν το θερμοκρασιακό πεδίο και την ανάπτυξη φυσαλίδων ατμού κατά τον βρασμό», εξήγησε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο κ. Καραπάντσιος.

Γνωστοποίησε δε ότι η ομάδα του έχει συλλέξει ένα τεράστιο όγκο πειραματικών δεδομένων σε διάφορες συνθήκες βρασμού γεγονός που, όπως πρόσθεσε, «θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας κατά τον βρασμό και θα οδηγήσει σε πιο αποδοτικές βιομηχανικές διατάξεις».

«Τώρα πλέον βρισκόμαστε στη διαδικασία ανάλυσης των μετρήσεων σε συνεργασία με όλους τους εταίρους. Κατά τη διάρκεια των δέκα χρόνων προετοιμασίας, και εκτέλεσης της αποστολής RUBI έγιναν στο εργαστήριο μας πειράματα σε κελί βρασμού με ροή ίδιας γεωμετρίας με το κελί στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό ώστε να γίνουν συγκρίσεις μεταξύ των μετρήσεων στη γήινο πεδίο βαρύτητας και σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας», πρόσθεσε ο καθηγητής.

Αξίζει να σημειωθεί ότι στο πλαίσιο των πειραμάτων αυτών ολοκληρώθηκαν στο τμήμα Χημείας του ΑΠΘ τρείς διδακτορικές διατριβές (Μ. Βλάχου, I. Rios-Lopez, Χ. Αργυρόπουλος), δύο μεταπτυχιακές διατριβές (Β. Παπαδοπούλου, Μ. Μπιλιά) και εργάστηκαν ερευνητικά δύο μεταδιδάκτορες (Σ. Ευγενίδης, Ο Οικονομίδου).

«Εφαρμογές του βρασμού»

Η διεργασία του βρασμού συναντάται σε πολλά τεχνολογικά πεδία, όπως στις βιομηχανίες παραγωγής και μετατροπής ενέργειας, σε περιβαλλοντικές εφαρμογές, σε βιομηχανίες τροφίμων και χημικών προϊόντων καθώς επίσης και σε διαστημικές εφαρμογές. Η πιο σημαντική και διαδεδομένη εφαρμογή του βρασμού είναι για την αποτελεσματική ψύξη θερμικών φορτίων, όπως, για παράδειγμα, για την ψύξη μεγάλων ηλεκτρονικών συστημάτων. Ο βρασμός επιτρέπει τη γρήγορη μεταφορά μεγάλων θερμικών φορτίων, με χρήση μικρής επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας (μικρό μέγεθος συσκευής) και με μικρές διαφορές θερμοκρασίας ως κινούσα δύναμη.

Παρά τη μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, η διεργασία του βρασμού εξακολουθεί σήμερα να μην είναι πλήρως κατανοητή. Οι μαθηματικές συσχετίσεις που υπάρχουν στη βιβλιογραφία για την περιγραφή των φυσικών φαινομένων που διέπουν τον βρασμό είναι σε μεγάλο ποσοστό εμπειρικές και ως εκ τούτου ισχύουν για περιορισμένες συνθήκες λειτουργίας και μόνο όταν χρησιμοποιούνται στο εύρος των παραμέτρων για τις οποίες αναπτύχθηκαν. Η κατανόηση των μηχανισμών της μεταφοράς θερμότητας κατά τον βρασμό μπορεί να επιτευχθεί μόνο με προσεκτική μελέτη του βρασμού σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους τόσο με πειράματα όσο και με θεωρητική μοντελοποίηση. Για παράδειγμα, χρειάζονται αξιόπιστα δεδομένα που να αφορούν τόσο στην ανάπτυξη και αποκόλληση μεμονωμένων φυσαλίδων όσο και συστοιχιών πολλαπλών φυσαλίδων για διαφορετικά θερμικά φορτία και ταχύτητες ροής ρευστού.

«Ο στόχος της αποστολής RUBI»

Ο στόχος των πειραμάτων στη συσκευή RUBI ήταν να διερευνήσει βασικά φαινόμενα κατά τον βρασμό σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους και με αυτόν τον τρόπο να συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας κατά το βρασμό και να οδηγήσει σε νέα δεδομένα τα οποία θα συμβάλουν στην αξιολόγηση θεωρητικών μοντέλων. Τα πειράματα βρασμού που έγιναν σε περιβάλλον έλλειψης βαρύτητας επέτρεψαν την παρατήρηση φαινομένων που σε γήινες συνθήκες βαρύτητας αλλοιώνονται από την παρουσία της άνωσης (π.χ., φαινόμενα στην μικροστοιβάδα μεταξύ φυσαλίδων και θερμού τοιχώματος, διεπιφανειακή ροή Marangoni).