Es raro que un preadolescente se enamore de la termodinámica, pero aquellos consumidos por tal pasión pueden considerarse afortunados de terminar en un lugar como el MIT. Madhumitha Ravichandran ciertamente lo hace. Un doctorado estudiante de Ciencias e Ingeniería Nuclear (NSE), Ravichandran se encontró por primera vez con las leyes de la termodinámica cuando era estudiante de secundaria en Chennai, India. "Tenían mucho sentido para mí, ", dice." Mientras mira el refrigerador en casa, Me preguntaba si algún día podría construir sistemas de energía que utilizaran estos mismos principios. Así es como empezó y he mantenido ese interés desde entonces ".

Ahora se basa en sus conocimientos de termodinámica en una investigación llevada a cabo en el laboratorio del profesor asistente de NSE Matteo Bucci, su supervisor de doctorado. Ravichandran y Bucci están adquiriendo conocimientos clave sobre la "crisis en ebullición", un problema que ha agobiado a la industria energética durante mucho tiempo.

Ravichandran estaba bien preparada para este trabajo cuando llegó al MIT en 2017. Como estudiante de la Universidad Sastra de India, realizó una investigación sobre "flujos de dos fases, "examinando las transiciones que experimenta el agua entre sus formas líquida y gaseosa. Continuó estudiando la evaporación de las gotas y los fenómenos relacionados durante una pasantía a principios de 2017 en el Laboratorio Bucci. Esa fue una experiencia reveladora, Ravichandran explica. "De vuelta en mi universidad en India, solo del 2 al 3 por ciento de los estudiantes de ingeniería mecánica eran mujeres, y no había mujeres en la facultad. Fue la primera vez que enfrenté inequidades sociales por mi género, y pasé por algunas luchas, por decir lo menos ".

MIT ofreció un contraste bienvenido. "La cantidad de libertad que me dieron me hizo muy feliz, ", dice." Siempre me animaron a explorar mis ideas, y siempre me sentí incluida ". Estaba doblemente feliz porque a mitad de la pasantía, se enteró de que la habían aceptado en el programa de posgrado del MIT.

Como Ph.D. estudiante, su investigación ha seguido un camino similar. Continúa estudiando la ebullición y la transferencia de calor, pero Bucci le dio a este trabajo una mayor urgencia. Ahora están investigando la crisis de ebullición antes mencionada, que afecta a los reactores nucleares y otros tipos de centrales eléctricas que dependen de la generación de vapor para impulsar las turbinas. En un reactor nuclear de agua ligera, el agua se calienta mediante barras de combustible en las que se ha producido la fisión nuclear. La eliminación de calor es más eficaz cuando el agua que circula por las varillas hierve. Sin embargo, si se forman demasiadas burbujas en la superficie, envolviendo las barras de combustible en una capa de vapor, la transferencia de calor se reduce considerablemente. Eso no solo disminuye la generación de energía, también puede ser peligroso porque las barras de combustible deben enfriarse continuamente para evitar un terrible accidente de fusión.

Las plantas nucleares operan a potencias bajas para proporcionar un amplio margen de seguridad y así evitar que ocurra tal escenario. Ravichandran cree que estos estándares pueden ser demasiado cautelosos, debido al hecho de que la gente aún no está segura de las condiciones que provocan la crisis de ebullición. Esto perjudica la viabilidad económica de la energía nuclear, ella dice, en un momento en el que necesitamos desesperadamente fuentes de energía libres de carbono. Pero Ravichandran y otros investigadores del laboratorio Bucci están comenzando a llenar algunos vacíos importantes en nuestra comprensión.

Inicialmente realizaron experimentos para determinar qué tan rápido se forman las burbujas cuando el agua golpea una superficie caliente. qué tan grandes se vuelven las burbujas, cuanto tiempo crecen, y cómo cambia la temperatura de la superficie. "Un experimento típico duró dos minutos, pero tomó más de tres semanas identificar cada burbuja que se formó y rastrear su crecimiento y evolución, "Explica Ravichandran.

Para agilizar este proceso, ella y Bucci están implementando un enfoque de aprendizaje automático, basado en tecnología de redes neuronales. Las redes neuronales son buenas para reconocer patrones, incluidos los asociados con la nucleación de burbujas. "Estas redes están hambrientas de datos, ", Dice Ravichandran." Cuantos más datos reciben, cuanto mejor rinden ". Las redes se entrenaron en resultados experimentales relacionados con la formación de burbujas en diferentes superficies; luego, las redes se probaron en superficies para las que los investigadores de NSE no tenían datos y no sabían qué esperar.

Después de obtener la validación experimental del resultado de los modelos de aprendizaje automático, el equipo ahora está tratando de hacer que estos modelos hagan predicciones confiables sobre cuándo la crisis de la burbuja, sí mismo, ocurrira. El objetivo final es tener un sistema totalmente autónomo que no solo pueda predecir la crisis de ebullición, pero también mostrar por qué sucede y cerrar automáticamente los experimentos antes de que las cosas vayan demasiado lejos y el equipo de laboratorio comience a derretirse.

Mientras tanto, Ravichandran y Bucci han hecho algunos avances teóricos importantes, sobre el que informan en un artículo recientemente publicado para Letras de física aplicada . Hubo un debate en la comunidad de ingenieros nucleares sobre si la crisis de ebullición es causada por burbujas que cubren la superficie de la barra de combustible o debido a burbujas que crecen una encima de la otra. extendiéndose hacia afuera desde la superficie. Ravichandran y Bucci determinaron que es un fenómeno a nivel de superficie. Además, han identificado los tres factores principales que desencadenan la crisis de ebullición. Primero, existe la cantidad de burbujas que se forman sobre un área de superficie determinada, y segundo, el tamaño medio de la burbuja. El tercer factor es el producto de la frecuencia de las burbujas (la cantidad de burbujas que se forman en un segundo en un sitio determinado) y el tiempo que tarda una burbuja en alcanzar su tamaño completo.

Ravichandran está feliz de haber arrojado algo de luz sobre este tema, pero reconoce que aún queda mucho trabajo por hacer. Aunque su programa de investigación es ambicioso y casi todo lo consume, nunca olvida de dónde vino y la sensación de aislamiento que sintió mientras estudiaba ingeniería como estudiante. Ella tiene, por su propia iniciativa, he estado asesorando a estudiantes de ingeniería en la India, proporcionando orientación en la investigación y asesoramiento profesional.

"A veces siento que hubo una razón por la que pasé por esas primeras dificultades, ", Dice Ravichandran." Eso es lo que me hizo decidir que quiero ser una educadora ". También está agradecida por las oportunidades que se le han abierto desde que llegó al MIT. Recibió una beca de ingeniería de MathWorks 2021-22, ella dice, "ahora siento que los únicos límites que tengo son los que me he impuesto a mí mismo".