پرتو یخی پلاسما جدیدترین ابداع بشر برای خنک کردن تجهیزات فضایی 

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، هوای کره زمین خنک‌کننده مناسبی برای سیستم‌های الکترونیکی هواپیما‌های نظامی است. از سویی آب اقیانوس‌ها نیز عملکرد مشابهی برای کشتی‌ها ایفا می‌کنند. اما با دورتر شدن از سطح زمین مانند قرار گرفتن در جو بالایی یا فضای خارجی سیاره، هیچ یک از این منابع خنک‌کننده دیگر در دسترس نیستند.

از آنجایی که نگهداری قطعات الکترونیکی در دمای امن بسیار دشوار است و مواد خنک کننده سنگین بوده و جای زیادی در تجهیزات مهم فضایی اشغال می‌کنند، محققان به فکر مهار پلاسما (همان ماده‌ی سازنده ستاره‌ها و رعد و برق) افتاده‌اند.

دانش‌پژوهان آزمایشگاه آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها در مهندسی حرارتی دانشگاه ویرجینیا (ExSITE)، روش بسیارامیدوارکننده‌ای که پیش از این محقق نشده بود برای خنک کردن سریع سطوح کشف کرده‌اند: پرتو‌های «یخ‌زده» پلاسما.

استفاده از پلاسما برای دما‌های پایین‌تر، ممکن است غیرمعمول به نظر برسد چرا که پلاسما می‌تواند به راحتی تا ۴۵ هزار درجه فارنهایت و بالاتر گرم شود؛ اما به گفته «پاتریک هاپکینز» مهندس مکانیک و هوافضا، شلیک پلاسما که حالت چهارم ماده است می‌تواند نتایج ترمودینامیکی بسیار جذابی ارائه کند.

هاپکینز که متخصص اندازه‌گیری‌های بسیار سریع و واقعاً بسیار کوچک دما است می‌گوید: هنگامی که پلاسما را شلیک کردیم توانستیم بلافاصله دمای محل برخورد پلاسما را اندازه‌گیری کرده و ببینیم سطح مورد نظر چگونه تغییر کرده است.

این محققان در آزمایش‌های خود، یک جریان ارغوانی از پلاسمای تولید شده با هلیوم را از طریق یک سوزن نازک با پوشش سرامیکی، روی هدفی با روکش طلا شلیک کردند. سپس اثرات روی سطح هدف را با استفاده از ابزار‌های میکروسکوپی تخصصی و سفارشی اندازه‌گیری کردند تا نتایج باورنکردنی را ثبت کنند.

هاپکینز افزود: آنچه مشاهده کردیم این بود که ابتدا سطح سرد شده، سپس گرم می‌شود.

پس از آزمایش‌ها و بررسی‌های مکرر این پدیده، محققان دریافتند پرتو پلاسما باید ابتدا به لایه‌ای نازک در مقیاس میکرو از مولکول‌های کربن و آب برخورد کند، که به سرعت پوشش را تبخیر می‌کند. مشابه آنچه که یک فرد در تابستان پس از بیرون آمدن از آب استخر و خشک شدن در هوا تجربه می‌کند. به عبارت ساده تر، هاپکینز کاری می‌کند که مواد عرق کنند.

وی می‌افزاید: تبخیر مولکول‌های آب در بدن به انرژی نیاز دارد و این انرژی را از بدن می‌گیرد و به همین دلیل است که فرد پس از بیرون آمدن از آب احساس سرما می‌کند. در این مورد، پلاسما (مولکول‌های) جذب‌شده را جدا می‌کند، انرژی آزاد می‌شود و این همان چیزی است که خنک میکند.
این دانش پژوهان موفق شدند کاهش دما را به اندازه چند درجه برای چند میکروثانیه اندازه‌گیری کنند؛ تلاشی که شاید در مقیاس انسانی قابل توجه نباشد، اما چنین تفاوتی می‌تواند در قطعات الکترونیکی و ابزار‌های ظریف و پیشرفته، بسیار موثر واقع شود.

گروه هاپکینز در حال آزمایش گاز‌های مختلف پلاسما و همچنین تأثیر آن‌ها بر مواد مختلف مانند مس و نیمه هادی‌ها هستند. 

در نهایت، محققان امیدوارند زمانی برسد که اتصالات بازوی رباتیک بتواند نقاط داغ در دستگاه‌ها را شناسایی کرده و با شلیک کوچکی از پلاسما که از یک الکترود ساطع می‌شود، آن نقطه را خنک کنند.

به گفته هاپکینز پرتو پلاسما مانند پرتو لیزر و رعد و برق است. می‌توان آن را به طور خیلی دقیقی به منطقه مورد نظر تاباند.

نتایج این تحقیقات در نشریه «ای‌سی‌اس نانو» (ACS Nano) منتشر شده است.