La compleja red de venas que nos mantiene frescos durante el calor del verano ha inspirado a los ingenieros a crear nuevos sistemas de gestión térmica. Pero replicando el sistema circulatorio, en forma o función, no ha sido tarea fácil. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad Estatal de Carolina del Norte ha creado una plataforma computacional que podría ser la clave para imitar el sistema de enfriamiento optimizado evolutivamente del cuerpo. Microvasculatura

En un estudio publicado en el Revista internacional de transferencia de calor y masa , Ahmad Najafi, Doctor., profesor de la Facultad de Ingeniería de Drexel, y su colaborador de la facultad, Jason Patrick, Doctor., de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, informan sobre cómo una técnica computacional que desarrollaron puede producir rápidamente diseños para materiales compuestos de fibra de carbono de impresión 3D con una vasculatura interna optimizada para enfriamiento activo.

"Cuando tienes calor, el cuerpo envía una señal al sistema circulatorio para bombear más sangre a la superficie de la piel; por eso a veces nos enrojecemos la cara ", dijo Najafi." Este es un método natural para disipar el calor que funciona tan bien, Los científicos e ingenieros han intentado durante años replicar en sistemas de enfriamiento mecánico, como los que evitan que los automóviles y las computadoras se sobrecalienten ".

El último artículo de Najafi y Patrick describe una plataforma integrada para diseñar y crear compuestos microvasculares bioinspirados que pueden hacer precisamente eso.

En minutos, su programa de computadora, acuñado HyTopS, que es la abreviatura de topología híbrida / optimización de formas, puede producir un esquema para una red vascular con la forma ideal, tamaño y distribución de microvasos para enfriar activamente un material a través de la circulación de líquidos, un truco que llevó a la madre naturaleza a perfeccionarse más de unos pocos ciclos evolutivos.

Actualmente se están desarrollando compuestos de fibra microvascular para enfriar todo, desde vehículos eléctricos hasta aviones de próxima generación, donde un rendimiento cada vez mayor aumenta el calor que generan.

"Estos materiales modernos podrían revolucionar todo, desde los vehículos espaciales hipersónicos hasta el embalaje de las baterías de los coches eléctricos e incluso los sistemas de refrigeración de las supercomputadoras. A medida que las cosas avanzan más rápido, y la producción de energía y la potencia informática siguen aumentando, se genera una enorme cantidad de calor que requiere nuevos enfoques de enfriamiento, Patrick dijo. Inspirado en los sistemas circulatorios de los organismos vivos, la microvasculatura interna proporciona un medio eficaz para la regulación térmica en materiales sintéticos ".

Esta rama de la investigación basada en bioinspiraciones solo ha existido durante una década más o menos, pero los resultados que ha generado ya son bastante prometedores, según Najafi / Patrick, quien comenzó sus carreras académicas en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign desarrollando materiales microvasculares para la autocuración, enfriamiento activo y más allá.

Parte de su impulso de investigación reciente es reemplazar los sistemas metálicos más tradicionales que transfieren calor a través del agua o el aire. Si bien ha sido una solución confiable, Cualquiera que haya llevado una unidad de ventana de aire acondicionado seguramente entenderá por qué un sistema de enfriamiento diferente sería una mejora para cualquier vehículo o componente que esté tratando de reducir el peso.

"Los compuestos microvasculares ofrecen muchas ventajas sobre los sistemas de refrigeración por aire y líquidos existentes, ante todo, son mucho más ligeros con una fuerza comparable, pero también son muy duraderos, lo cual es importante si se considera el efecto generalizado de la corrosión en los componentes metálicos, "Najafi triste". Y si considera estos, entre otros factores, es fácil ver por qué los buscan en la industria aeroespacial, sectores automotriz y energético ".

Para poner a prueba su método de optimización, Los investigadores diseñaron y construyeron un compuesto de fibra de carbono microvascular utilizando impresión 3D y probaron sus capacidades de enfriamiento contra un diseño de referencia de estudios anteriores. Después de calentar los compuestos de carbono a una temperatura máxima, Se bombeó refrigerante líquido (similar al de su automóvil) a través de cada red vascular para comenzar el proceso de enfriamiento.

El compuesto de carbono optimizado por HyTopS no solo era más frío, pero más uniforme en términos de distribución de temperatura superficial, y pudo enfriarse más rápido que el diseño de referencia.

Además del rendimiento superior del material optimizado, la ventaja del método HyTopS es que calcula automáticamente el impacto de los cambios en el diámetro y la disposición de los canales, así como cómo están conectados entre sí. Toma en consideración la composición del material y la geometría general del sistema que se enfría y las características de transferencia de calor correspondientes. Y tiene en cuenta los parámetros relacionados con el proceso de fabricación, por lo que el diseño final es un material microvascular realista que se puede realizar mediante impresión 3D u otros métodos de fabricación accesibles.

"Es casi imposible reproducir toda la complejidad de la microvascularización natural, pero nuestro programa permite una gran cantidad de entradas de optimización y considera los parámetros de fabricación para garantizar que el diseño realmente se pueda construir, "Dijo Najafi.

El equipo colaborativo tiene la intención de utilizar el método HyTopS para explorar otros aspectos intrigantes e interdisciplinarios de los compuestos microvasculares. incluyendo mecánica estructural y electromagnética.