古典的な物理現象を使用して新しい問題を解決する |マサチューセッツ工科大学ニュース

強力な熱伝達メカニズムであるクエンチングは、熱を除去するのに非常に効果的です。しかし、原子力発電所や宇宙船などの極限環境では、プロセスの効率と速度が重視されます。

マサチューセッツ工科大学原子力科学工学部（NSE）博士課程5年生のマルコ・グラフィディ氏が、次世代の宇宙船や原子力発電所の開発に役立てるため、この現象を研究しているのはこのためだ。

イタリアの小さな町で育つ

グラフィディの両親は、グラフィディの探求心を奨励し、幼い頃から家族のプロジェクトに対する責任を与えました。フィレンツェとボローニャの間の丘、パラッツォーロ近くの小さな町にある田舎の小屋を修復したとき、当時 14 歳のマルコは自分自身のプロジェクトを思いつきました。彼は、貯蔵タンクを過剰に満たすことなく、敷地内の動物が利用できる十分な水を確保する必要がありました。マルコは、問題を効果的に解決し、現在でも機能している受動的油圧システムを設計および構築しました。

彼の科学への傾向はルーゴの高校でも続き、そこでグラフィディは実験を通じて古典的な物理現象を再現することを楽しんだ。ちなみに、この高校の名前は、相対性理論の基礎を築いた数学者、グレゴリオ・リッチ＝クルバストロにちなんで名付けられました。その歴史はグラフィディに失われていません。高校卒業後、グラフィディはバンコクで開催された国際物理オリンピックに参加しました。これは彼の物理学への愛を確固たるものにする形成的なイベントでした。

エンジニアリングへの段階的な移行

物理学と基礎科学に対する情熱にもかかわらず、グラフィディ氏は、物理学、化学、数学の研究を何かを構築するためのツールとして使用できるエンジニアリングの方が向いているのではないかと考えました。

その道をたどって、彼はピサ大学とサンタンナ高等大学（工学部）で機械工学の学士号と修士号を取得しました。イタリアでは学士号を取得するにはわずか 3 年しかかかりませんが、ほとんどの人が修士号を取得するとグラフィディ氏は笑います。サンタンナ校は、ほとんどの学生が大学での勉強を補うために通う非常に選抜された教育機関です。

グラフィディは大学での勉強を通じて、徐々に環境工学の分野に興味を持ち始めました。彼は、関連する熱サイクルを研究し、太陽光発電の収集を改善することによって太陽光発電のコストを削減するために、集中太陽光発電を研究しました。このプロジェクトはあまり成功しませんでしたが、代替エネルギーの必要性についてグラフィディ氏の印象を強めました。エネルギー研究にしっかりと根付いたグラフィディ氏は、（当時の）GEオイル・アンド・ガス社と協力して修士論文の破壊力学に取り組み、遠心圧縮機の効率を向上させる方法を研究しました。そして、フェルミ研究所での夏のインターンシップでは、グラフィディ氏は超伝導コーティングの熱特性評価に取り組んでいました。

勉強を終えたグラフィディは、このプロとしての道についてまだ確信が持てませんでした。グラフィディ氏は、卒業後すぐに勤務した GE オイル アンド ガスのエジソン プログラムを通じて、機械工学や熱工学からガス タービンや燃焼の探求に至るまで、多くの分野を試運転することができました。彼は最終的にテストエンジニアになり、会社のガスタービンの新しいアップグレードをテストするエンジニアのチームを調整しました。 「マシンの計測方法、データの収集方法、テストの実行方法を理解し、テストベンチをセットアップしました」とグラフィディ氏は回想します。「センサーが付いた小さなタービンブレードからテストベンチの安全出口の位置まで、考えなければならないことがたくさんありました。」

原子力工学への移行

テスト エンジニアリングの仕事は楽しかったのですが、グラフィディはより技術的な知識を求めるようになり、科学に軸足を移したいと考えました。探求の一環として、彼は原子力エネルギーに出会い、それが未来であることを理解し、エンジニアリングの経歴を活かして MIT NSE に応募することにしました。

彼はマッテオ・ブッチ教授のグループに適していると判断し、沸騰と急冷を研究することにしました。科学から工学へ、そして再び科学への移行は完了しました。

研究の主なスポンサーである NASA は、極低温燃料の沸騰を防ぐことに関心を持っています。沸騰すると燃料が失われ、燃料タンクの過圧を避けるために発生する蒸気を排出する必要があるためです。

グラフィディ氏が主に焦点を当てているのは、宇宙での燃料補給と核炉心の冷却において重要な役割を果たすクエンチングである。寒剤を使用して表面を冷却すると、ライデンフロスト効果として知られる現象が起こります。これは、最初に絶縁体として機能し、さらなる冷却を防ぐ薄い蒸気膜を形成することを意味します。急速冷却を促進するには、蒸気膜の崩壊を促進することが重要です。グラフィディ氏は、陸上や宇宙への応用にとって重要な研究である、急冷プロセスのメカニズムを顕微鏡レベルで研究しています。

沸騰は、データセンターの冷却システムの効率を向上させるという、さらに別の最新の用途にも使用できます。データセンターと電気輸送システムの成長には、過熱を避けるための効果的な熱伝達メカニズムが必要です。誘電性流体（電気を通さない流体）を使用した浸漬冷却は、その方法の 1 つです。これらの流体は、沸騰の原理に基づいて表面から熱を奪います。効果的に沸騰させるには、流体がライデンフロスト効果を克服し、形成される蒸気膜を破壊する必要があります。流体は、高い臨界熱流束 (CHF) も持たなければなりません。CHF は、加熱された表面から液体に熱を伝達するために沸騰を効果的に利用できる熱流束の最大値です。誘電性流体は水より CHF が低いため、グラフィディはこれらの制限を強化するソリューションを模索しています。特に、彼は高電場を使用して CHF を強化する方法や、重力のない状態で電子部品を冷却する方法として沸騰を使用する方法を研究しています。彼 この研究を発表しました で 応用熱工学 6月に。

沸騰を超えて

グラフィディの科学と工学への愛情は、教育への取り組みにも表れています。彼は NSE で 4 つのクラスのティーチングアシスタントを務めており、その貢献に対して賞を受賞しています。彼のその他の多くの功績には、原子力科学および工学における優れた学業成績と職業上の将来性に対して贈られる NSE 大学院生に贈られるマンソン・ベネディクト賞の受賞や、米国原子力学会 MIT 部門の元会長としての役割に対する功労賞の受賞などが含まれます。

ボストンには熱狂的なイタリア人コミュニティがあり、その一員であることを楽しんでいる、とグラフィディ氏は言う。適切なことに、MIT イタリアのクラブは MITaly と呼ばれています。グラフィディは仕事以外の時間はラテンダンスが大好きで、少なくとも週に数回は時間を作ってダンスをしています。市内にお気に入りのイタリアン レストランがあるグラフィディさんは、11 歳のときに両親から与えられたもう 1 つのスキル、つまり完璧なピザとパスタを作ることに感謝しています。