Los científicos han diseñado expresiones matemáticas que estiman con mayor precisión el movimiento del gas a través de poros nanométricos. Esto podría ayudar a mejorar el desarrollo de las pilas de combustible.

Muchos dispositivos de ingeniería dependen del flujo de gases a través de un medio poroso. En convertidores catalíticos, por ejemplo, Los gases de escape nocivos de los automóviles pasan a través de un medio poroso de perlas cerámicas recubiertas con un catalizador que las convierte en compuestos inofensivos. También, en pilas de combustible en desarrollo para vehículos ecológicos, el hidrógeno y el oxígeno pasan a través de un catalizador poroso que los convierte en agua, produciendo electricidad.

Los ingenieros necesitan una comprensión clara de cómo los gases se mueven a través de medios porosos para mejorar estos dispositivos. Sin embargo, es difícil medir el transporte de moléculas a través de poros nanométricos.

Investigadores de la Universidad de Tohoku en Japón especializados en dinámica de gases enrarecidos, junto con colegas de Honda R&D Co., Limitado., utilizaron simulaciones por computadora para desarrollar dos expresiones matemáticas que estiman la velocidad del flujo de gas a través de un medio poroso.

Las expresiones parecen ecuaciones, pero en realidad muestran una relación física entre la velocidad del flujo a través de un medio poroso y el gradiente de presión, lo que puede ayudar a comprender el transporte molecular a través de medios porosos. Esto podría ayudar a promover el desarrollo de pilas de combustible más respetuosas con el medio ambiente para automóviles e incluso para futuros transbordadores espaciales.

El equipo utilizó el método de simulación directa de Monte Carlo (DSMC), ', que modela el flujo de gas a baja presión utilizando moléculas de simulación. En su estudio, Los medios porosos estaban representados por partículas esféricas sólidas dispuestas al azar. El equipo investigó lo que sucedía cuando un flujo constante de moléculas de hidrógeno pasaba a través del medio por un gradiente de presión constante. Se realizaron simulaciones para diferentes porosidades y diferentes tamaños de partículas sólidas.

El equipo descubrió que la velocidad del flujo de gas a través de un medio poroso aumenta en proporción al aumento del gradiente de presión. Esto muestra que la ley de Darcy, que establece que el caudal de fluido a través de un medio poroso es proporcional al gradiente de presión, se aplica incluso con poros de tamaño nanométrico. Sin embargo, encontraron modelos convencionales, como la ecuación de Kozeny-Carman, que se utiliza a menudo para estimar la velocidad del flujo a través de un medio poroso, produjo estimaciones que eran diferentes de los resultados de las simulaciones de DSMC cuando los poros de tamaño micro se cambiaron a poros de tamaño nanométrico.

Cuando los poros son relativamente grandes, la diferencia de presión induce el flujo de gas. El flujo se estabiliza cuando la fuerza viscosa ejercida sobre el gas en las paredes de los poros equilibra la fuerza debida a la diferencia de presión. A esto se le llama "flujo viscoso". Por otra parte, cuando los poros son nanométricos, Las moléculas de gas no pueden sentir la diferencia de presión directamente porque las colisiones de molécula a molécula son mucho menos frecuentes en comparación con las colisiones de molécula a pared. En este caso, Las moléculas de gas se dispersan en direcciones aleatorias después de colisiones entre moléculas y paredes. Estos movimientos moleculares caóticos inducen un flujo molecular neto en la dirección de menor concentración. Esto se llama "flujo de Knudsen". La razón por la que los modelos convencionales produjeron estimaciones inexactas en el caso de poros nanométricos es porque solo se considera el flujo viscoso en esos modelos.

El equipo desarrolló dos expresiones matemáticas que describen la velocidad del flujo de gas a través de un medio poroso. Consideraron un medio poroso como un haz de tortuosos tubos capilares, cuyo diámetro es igual a la distancia media que recorre una molécula entre colisiones sucesivas de molécula a pared. Sus expresiones para un medio poroso se construyeron superponiendo las contribuciones de los flujos viscosos y de Knudsen a través de los tortuosos tubos capilares.

El equipo descubrió que ingresar información como el diámetro de las partículas y la porosidad en estas expresiones daba como resultado estimaciones de la velocidad del flujo que coincidían bien con los resultados de la simulación de DSMC.

"Nuestras expresiones serán aplicables a cualquier gas con moléculas simples y a cualquier medio poroso con una estructura interna arbitraria, "dice Shigeru Yonemura de la Universidad de Tohoku, autor correspondiente del estudio. "Este conocimiento será útil no solo para las tecnologías de celdas de combustible, sino también para cualquier tecnología que involucre el flujo de gas a través de un medio poroso. Nuestro siguiente paso es construir una expresión teórica para la tortuosidad del tubo capilar. Con esto, podremos completar nuestras expresiones para estimar las velocidades del flujo de gas a través de cualquier medio poroso ".