Высокопроизводительные реакторы, гиперзвуковые самолёты и космические аппараты при входе в атмосферу Земли сталкиваются с интенсивным нагревом, значительно превосходящим температуру расплавленной лавы. Исследователи десятилетиями ищут «изолятор мечты»: способный выдерживать экстремально высокие температуры, блокировать все виды теплопередачи, быть лёгким и масштабируемым для промышленного применения. Согласно сообщениям, исследовательская группа из Университета Цинхуа в Китае создала новый изолятор из углеродных нанотрубок, который выдерживает экстремальные температуры до 4,712 °C, предотвращая при этом излучение, перенос газа и теплопроводность.

При температуре выше 2,732°F (1,500°C) обычные изоляционные материалы начинают разрушаться или выделять избыточное тепло.. Это открытие, применение которого может найти в передовых производственных отраслях, энергетике и аэрокосмической отрасли, может кардинально изменить подходы, применяемые в промышленности к работе в условиях экстремально высокой температуры.

Чем отличается изоляция из углеродных нанотрубок от существующих материалов?

Новая изоляция из суперориентированных углеродных нанотрубок выдерживает экстремальные температуры и используется для создания новой конструкции изоляции. Подобно выщипыванию шёлковых нитей, исследователи выращивают вертикальные массивы нанотрубки Перед тем как «вытянуть» их в тонкие листы. Удивительные качества материала обусловлены тем, как эти листы сворачиваются в рулоны или укладываются друг на друга, создавая многослойные пористые структуры.

Поскольку новая изоляция из углеродных нанотрубок выдерживает экстремальные температуры, следующие основные характеристики отличают этот материал:

Чрезвычайно низкая теплопроводность:

• При комнатной температуре, 0.004 Вт/мК.
• При 2,600°C, 0.03 Вт/мК значительно ниже, чем у типичных Изоляторы, например, графитовый войлок.

Легкая плотность:

• Диапазон от 5 до 100 кг/м³, что упрощает его внедрение в авиационную промышленность и другие отрасли, где вес имеет решающее значение.

Термостойкость:

• Способен выдерживать сотни циклов нагрева/охлаждения и чрезвычайно высокие температуры.

Блокирование излучения:

• Инфракрасный свет поглощается и рассеивается нанотрубками, которые задерживают тепловые фотоны.

Масштабируемость.

• Возможно изготовление листов шириной до 550 мм и длиной до сотен метров.

Новый материал может стать революционным благодаря своей стабильности, производительности и масштабируемости.

Читайте также: Новое исследование выявило наилучшие времена для использования электроэнергии для сокращения выбросов углерода

Как ему удается так эффективно блокировать теплопередачу?

Анализируя три основных метода передачи тепла — излучение, конвекцией (газопроводность) и проводимость— помогает объяснить открытие.

Проводимость через твердые тела:

• Из-за расположения нанотрубок тепло должно проходить через несколько слоев, а не вдоль трубок.
• Нагревательные вибрации, или фононы, с трудом проходят через каждую трубку, поскольку их диаметр составляет всего 10–20 нанометров, и они разделены пространством.

Газопроводность:

• Молекулы газа не могут свободно перемещаться через маленькие отверстия.
• Вместо этого они теряют энергию и подпрыгивают внутри ( эффект Кнудсена), что снижает проводимость.

Радиация:

• При высоких температурах преобладает излучение, поскольку фотоны переносят тепло.
• Из-за своей электронной структуры (особенности Ван Хова), нанотрубки обладают значительным поглощением и рассеиванием инфракрасного излучения.
• Слои, расположенные под разными углами, задерживают излучение, что значительно снижает теплопередачу.

Говорят, что эта изоляция значительно эффективнее обычных материалов, поскольку она задерживает тепло во всех направлениях.

Читайте также: Ученые разработали устойчивую технологию улавливания углерода с использованием отходов креветок

Где этот материал можно применить в реальном мире?

Эта идея может принести пользу многим отраслям, работающим в условиях экстремально высоких или низких температур.

Воздушное пространство:

• Защита при возвращении космического корабля в атмосферу.
• Защита самолетов, летающих на гиперзвуковых скоростях.
• Тепловые барьеры в реактивных двигателях.

Энергетика:

• Реакторы, использующие термоядерный синтез.
• Атомные электростанции.
• Газовые турбины при высоких температурах.

Промышленное производство:

• Плавильные печи, печи и печи для обжига.
• Легкая изоляция для промышленных процессов, связанных с высокими температурами.

Электроника:

• Терморегулирование имеет решающее значение в ситуациях, когда важны термостойкость и пространство.
• Способность материала обволакивать неровные поверхности и его гибкость расширяют возможности его практического применения.

Читайте также: Новая технология спутниковой гиперспектральной съемки улучшает отслеживание глобального изменения климата

Как он соотносится с современными высокотемпературными изоляторами?

Новая изоляция из углеродных нанотрубок выдерживает экстремальные температуры в отличие от графитового войлока, материала, который часто используется, как показано в следующей таблице:

Это сравнение иллюстрирует, как материал нанотрубок может превзойти современную изоляцию в различных секторах.

Читайте также: Использование энергии Солнца: создание устойчивого солнечного будущего

Какие проблемы еще необходимо решить?

Несмотря на потенциал, необходимо преодолеть ряд препятствий, прежде чем изоляция получит широкое применение:

• Устойчивость к окислению: При высоких температурах углеродные нанотрубки могут разрушаться под воздействием кислорода. Чтобы обеспечить устойчивость материала к внешним воздействиям, исследователи планируют наносить на него защитные покрытия.
• Стоимость и масштабируемость: Хотя можно изготавливать огромные листы, для широкого промышленного внедрения необходимы постоянное качество и снижение издержек производства.
• Долговечность при нагрузках: Материалы, используемые в энергетическом и аэрокосмическом секторах, должны выдерживать механические нагрузки, химическое воздействие и высокие температуры. Для этого потребуются долгосрочные исследования.

Если эти проблемы будут решены, нанотрубчатая изоляция может стать одним из важнейших материалов следующего поколения.

Читайте также: Европейские города используют ИИ для повышения энергоэффективности и сокращения потребления, сообщает ICLEI

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Насколько горяча температура 2,600°C (4,712°F) по сравнению с нормальными температурами?

Это выше температуры поверхности Венеры (475°C) и расплавленной лавы (1,000–1,200°C). Это близко к температуре плавления многих металлов, включая никель (1,455°C) и железо (1,538°C).

В2: Можно ли использовать эту изоляцию в потребительских товарах?

Не сразу. В настоящее время этот материал предназначен для использования в аэрокосмической отрасли и в суровых промышленных условиях. Однако в конечном итоге он может найти применение в электронике и специализированных потребительских гаджетах по мере снижения цен на его продукцию.

В3: Что делает углеродные нанотрубки такими эффективными в предотвращении теплопередачи?

Их наноструктура позволяет им эффективно поглощать излучение, в то время как мелкие поры ограничивают проводимость газа, а слоистая архитектура снижает проводимость твёрдых тел. Они, по сути, охватывают все аспекты переноса тепла.

Читайте также: Исследование показало, что к 80 году космические солнечные панели могут обеспечить 2050% возобновляемой энергии в Европе.