Thread by @a_a_f_t

Nelle automobili la pompa dell’acqua è un componente delicato, che serve a far circolare il liquido di raffreddamento dal motore al radiatore. Se si guasta, il surriscaldamento che ne deriva può causare gravi danni e conti salati per le riparazioni: (1/18)

per esempio i pistoni possono “grippare” (cioè incastrarsi nei cilindri) e la guarnizione della testata può bruciarsi.
Ma le leggi implacabili della meccanica vogliono che tutte le parti meccaniche in movimento siano soggette a usura e destinate a rompersi prima o poi. (2/18)

Questo problema, che è già fastidioso nelle automobili, è ancora più serio per i satelliti che sono condannati a lavorare per anni nello spazio senza poter beneficiare della manutenzione periodica di un tecnico esperto. (3/18)

Sarebbe bello allora avere dei sistemi in cui il fluido di raffreddamento possa muoversi, per così dire, da solo, senza dover sottostare ai vincoli e alle fragilità di una macchina idraulica. (4/18)

Ebbene, questi sistemi esistono e sono usati da decenni, nonostante possano sembrare a prima vista una violazione delle leggi della termodinamica. Quasi tutti li chiamano “heat pipe”, anche in italiano, perché la traduzione “tubi di calore” ha incontrato poca fortuna. (5/18)

Sono tubi ermeticamente sigillati di materiale metallico conduttivo, riempiti con un fluido che è in parte allo stato liquido e in parte allo stato di vapore. Il fluido di lavoro può essere acqua o ammoniaca per temperature medie, oppure litio o sodio per alte temperature. (6/18)

Nell'area a contatto con la sorgente di calore il fluido di lavoro evapora, assorbendo calore, e poi va verso la zona fredda, dove condensa, cedendo calore all’ambiente, e ritorna allo stato liquido. Fin qui niente di originale: assomiglia al funzionamento del termosifone. (7/18)

L’innovazione del tubo di calore sta nella presenza di minuscoli canali nella parete interna del metallo, che esercitano un’azione capillare sul liquido e lo “risucchiano” nella zona calda del tubo, dove può nuovamente evaporare e ricominciare il ciclo. (8/18)

L’azione capillare, che sembra sia stata osservata per primo da Leonardo da Vinci, è quella che genera il flusso spontaneo di un liquido in un tubo stretto o in un materiale poroso, come l'assorbimento di acqua nella carta o il movimento dell'acqua attraverso la sabbia. (9/18)

I “trucchi” che rendono gli heat pipe straordinariamente efficaci sono due.

Il primo è il fatto che ci vuole molto più calore per far evaporare un liquido che per scaldarlo dalla temperatura ambiente alla temperatura di ebollizione
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(un fatto ben noto a chiunque sia rimasto fermo ad aspettare di veder bollire l’acqua della pasta). In termini tecnici si sfrutta il calore latente di evaporazione/condensazione di un fluido, anziché il calore specifico.
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Il secondo è che ’azione capillare garantisce la circolazione del fluido, senza fornire energia meccanica dall’esterno e senza parti in movimento. Questo aspetto potrà lasciare indifferenti le persone normali, ma per un ingegnere è come assistere a una magia. (12/18)

La combinazione di questi due fattori fa sì che gli heat pipe siano conduttori di calore portentosi e quasi indistruttibili, capaci di funzionare ininterrottamente per decenni. (13/18)

Un grosso heat pipe può condurre il calore fino a 200 volte meglio di un tubo di rame pieno delle stesse dimensioni: in pratica, se scaldiamo un’estremità del tubo l’altra estremità si porta istantaneamente alla stessa temperatura, anche a metri di distanza. (14/18)

Questa proprietà fa molto comodo nei satelliti per trasferire, in assenza di aria, il calore dissipato dai componenti interni verso i radiatori, che poi lo disperdono nello spazio. (15/18)

Esistono heat pipe di tutte le dimensioni: da quelli di pochi centimetri fino a quelli di parecchi metri che vengono usati per estrarre dal terreno il calore dissipato dall’oleodotto che attraversa l’Alaska in modo da non scongelare il permafrost. (16/18)

Nel tempo gli heat pipe si sono evoluti: oggi esistono heat pipe a conduttanza variabile, con forme estremamente complesse, capaci di trasportare il calore in un verso solo o di “chiudersi” al di sotto di una certa temperatura, come quelli che usiamo nel rover di Exomars. (17/18)

Data la loro robustezza e semplicità d’uso, si sta pensando di usarli anche per futuri moduli spaziali abitati. Forse un giorno useremo gli heat pipe anche nelle automobili e toglieremo un po’ di lavoro alle autofficine. (18 - fine)