Synthesis and cooling performance evaluation of novel nanofluid containing n- hexadecane-based nano-encapsulated phase change materials (NEPCMs) in minichannel heat sinks

في العالم الحديث، تعد إدارة الحرارة أمراً بالغ الأهمية تماماً مثل توليد الطاقة. فمن المحركات في سياراتنا إلى المعالجات في أجهزة الكمبيوتر لدينا، تطلق كل آلة تقريباً طاقة على شكل حرارة، وإذا لم يتم إزالة هذه الحرارة بسرعة وكفاءة، فقد يتعطل النظام أو يصبح غير فعال بشكل خطير. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على السوائل مثل الماء لنقل هذه الحرارة بعيداً، ولكن مع تقلص حجم الأجهزة وتزايد متطلبات الطاقة، غالباً ما يصل الماء البسيط إلى حدوده القصوى. ولتجاوز هذه الحدود، لجأ العلماء إلى حيلة ذكية: إضافة جزيئات دقيقة إلى السائل لتغيير كيفية حركته وامتصاصه للطاقة. ومن بين أكثر هذه الإضافات واعدة هي مواد تغيير الطور (phase change materials). وهي مواد يمكنها تخزين كمية هائلة من طاقة الحرارة ليس عن طريق الارتفاع في درجة الحرارة، بل عن طريق تغيير حالتها، تماماً مثل ذوبان الجليد وتحوله إلى ماء. وبينما تحدث هذه العملية عند درجة حرارة ثابتة، إلا أنها تسمح للمادة بامتصاص الحرارة التي كانت ستؤدي لولا ذلك إلى رفع درجة حرارة السائل المحيط. لقد كان التحدي دائماً يكمس في كيفية جعل هذه المواد تعمل داخل سائل متدفق دون أن تتكتل مع بعضها أو تتسرب للخارج، وكيفية تصميم الأنابيب التي تتدفق من خلالها لتحقيق أقصى استفادة من خصائصها الفريدة.

لقد سعى فريق من الباحثين لحل هذه المشكلات عبر ابتكار نوع جديد من سائل التبريد واختباره في نوعين مختلفين من القنوات الدقيقة. بدأوا بصنع كبسولات مجهرية، لكل منها قلب من مادة شمعية تسمى "إن-هيكساديكان" (n-hexadecane)، المعروفة بقدرتها على الذوبان وامتصاص الحرارة، محاطة بغلاف متين واقٍ مصنوع من بوليمر يشبه البلاستيك. وباستخدام عملية تمزج الزيت والماء تحت ظروف كيميائية محددة، أنتجوا الملايين من هذه الكرات الصغيرة، التي يبلغ قطر كل منها حوالي 20 إلى 50 نانومتر فقط. وللتأكد من نجاحهم، فحصوا التركيب الكيميائي للكبسولات والتقطوا صوراً عالية الدộة كشفت عن أشكال كروية ملساء خالية من الشقوق أو التسريبات. ثم خُلطت هذه الكبسولات في ماء نقي بتركيز منخفض جداً، مما خلق سائلاً يبدو صافياً ولكنه يتصرف بشكل مختلف عن الماء وحده.

قام الباحثون بعد ذلك ببناء نظامي تبريد متميزين لاختبار هذا السائل الجديد. كلاهما مصنوع من النحاس ويحتوي على عشرين قناة صغيرة محفورة في أسطحهما. تميز أحد الأنظمة بقنوات تسير في خط مستقيم تماماً، بينما تميز الآخر بقنوات تتبع مساراً متموجاً لطيفاً. وضخوا السائل الجديد عبر هذه القنوات بسرعات مختلفة، مع تسخين الجزء السفلي من كتل النحاس لمحاكاة الحرارة الشديدة الناتجة عن المكونات الإلكترونية. كان الهدف هو معرفة مدى قدرة السائل على نقل الحرارة بعيداً مقارنة بالماء العادي، وفهم كيف تؤثر شكل القناة على هذه العملية.

أظهرت النتائج أن السائل الجديد كان عاملاً قوياً للتبريد، لكن أداءه اعتمد بشكل كبير على شكل القناة وسرعة التدفق. ففي القنوات المتموجة، كان أداء السائل ممتازاً للغاية؛ حيث أدى تحرك السائل عبر المنحنيات إلى خلق دوامات واضطرابات صغيرة ساعدت في خلط السائل وتفكيك الطبقة الرقيقة من الحرارة التي تتكون عادةً مقابل الجدران المعدنية الساخنة. سمح هذا الخلط للكبسولات الصغيرة بإطلاق حرارتها المخزنة بشكل أكثر فعالية. وعند أعلى سرعات التدفق التي تم اختبارها، حسنت القنوات المتموجة مع السائل الجديد معدل انتقال الحرارة بنسبة 45 بالمائة مقارنة بالماء العادي. كما حافظ السائل على برودة الجدران المعدنية بشكل ملحوظ، حيث خفض درجة حرارتها بنحو 30 بالمائة في ظل الظروف الأكثر تطلباً.

ومع ذلك، كانت القصة مختلفة في القنوات المستقيمة. فبينما كان السائل الجديد لا يزال يتفوق على الماء في السرعات المنخفضة، بدأت ميزته تتلاشى مع زيادة سرعة التدفق. فعندما تحرك السائل بسرعة كبيرة عبر الأنابيب المستقيمة، كان يمر عبر النظام بسرعة تجعل الكبسولات الصغيرة لا تملك الوقت الكافي للذوبان وامتصاص الحرارة؛ فقد اندفعت عبر القناة قبل أن تتمكن من أداء مهمتها. وقد سلط هذا الاكتشاف الضوء على مقايضة حاسمة: فالقدرة الفريدة للكبسولات على تخزين الحرارة تتطلب بقاءها في المنطقة الساخنة لفترة كافية لتغيير حالتها. أما القنوات المتموجة، فمن خلال إجبار السائل على اتخاذ مسار أطول وأكثر تعقيداً، وفرت الوقت الإضافي اللازم لحدوث هذه العملية، حتى في السرعات العالية.

كما قاس الباحثون مقدار الجهد المطلوب لدفع السائل عبر القنوات. ونظراً لأن السائل كان أكثر كثافة قليلاً من الماء وأن القنوات المتموجة كانت أكثر تعقيداً، فقد تطلب الأمر طاقة أكبر للضخ، مما أدى إلى ارتفاع في انخفاض الضغط. ورغم تكلفة الطاقة الإضافية هذه، إلا أن الفائدة الإجمالية لنظام التبريد ظلت إيجابية. فكمية الحرارة التي تمت إزالتها كانت أكبر بكثير من عقوبة طاقة الضخ الإضافية، مما جعل النظام يعتبر نجاحاً صافياً. وقد وُجدت "نقطة التوازن المثالية" للأداء عند سرعة تدفق محددة حيث يتم تعظيم امتصاص الحرارة دون استعجال الكبسولات للمرور بسرعة كبيرة جداً. عند هذه السرعة المثلى، حسن السائل الجديد كفاءة التبريد بنسبة 62 بالمائة في القنوات المتموجة و57 بالمائة في القنوات المستقيمة مقارنة بالماء.

وعندما قارن الباحثون سائلهم الجديد بنوع آخر من سوائل التبريد المتقدمة التي تحتوي على جزيئات أكسيد الألمنيوم الصلبة، وجدوا أن سائل "تغيير الطور" الخاص بهم كان أكثر فعالية، رغم استخدامه بتركيز أقل بكثير. فقد اعتمد سائل الألمنيوم على مجرد تحسين التوصيل الحراري، بينما استخدم السائل الجديد قوة امتصاص الطاقة الناتجة عن ذوبان الكبسولات. وهذا يشير إلى أن القدرة على تخزين الحرارة أثناء تغيير الطور توفر ميزة متميزة على مجرد جعل السائل أكثر توصيلاً. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال الجمع بين هذه الكبسولات المجهرية المخزنة للحرارة وقناة متموجة مصممة بعناية، يمكن إنشاء نظام تبريد أكثر كفاءة بكثير من المعايير الحالية، مما يوفر مساراً واعداً لإدارة الحرارة في الأجهزة المدمجة وعالية الأداء.