Trên trạm vũ trụ ISS, việc đun nóng dung dịch diễn ra hoàn toàn ngược lại với những gì bạn biết

Tại Trái Đất này, khi bạn đun nước hay đa số các loại dung dịch, chúng sẽ biến thành hơi nước và duy trì ở trạng thái đó liên tục cho tới khi chúng đủ lạnh để có thể ngưng tụ lại thành nước (dung dịch) lần nữa. Nhưng các nhà phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS lại cho chúng ta một kết quả đun nước hoàn toàn khác. Có lẽ đó chính là sự khác biệt giữa độ lớn của lực hấp dẫn giữa hai địa điểm.

Họ tìm ra rằng hơi vẫn ngưng tụ khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ sôi của dung dịch đó tới hơn 160 K. Hiện tượng này vẫn khiến các nhà khoa học đau đầu tìm lời giải đáp.

Trong những thử nghiệm trước đây, người ta tìm ra rằng trong môi trường vi trọng lực – lực hấp dẫn rất nhỏ, những dung dịch sẽ có hiện tượng lạ khi bị đun sôi. Trên Trái Đất, quá trình đối lưu đóng một vai trò rất quan trọng trong việc phân tán nhiệt trên bề mặt Địa Cầu – lực hấp dẫn khiến cho phần dung dịch có nhiệt độ thấp hơn co lại, trong khi phần có nhiệt độ cao hơn nở ra, điều này khiến cho nhiệt lan ra toàn bộ lượng dung dịch.

Để vượt qua rào cản lực hấp dẫn này, trạm ISS sử dụng một thiết bị có tên ống nhiệt – bên trong ống chứa một phần chân không có khả năng truyền nhiệt từ một nơi nóng hơn tới một nơi lạnh hơn mà không cần tới một máy bơm cơ học.

Họ chứa một lượng dung dịch nhỏ bay hơi từ một bề mặt nóng rồi ngưng tụ nó lại khi phần hơi nước ấy tiếp xúc với một bề mặt lạnh, qua đó phân bố nhiệt đồng đều. Thông qua ống dẫn, dung dịch lại quay trở về bề mặt nóng để thực hiện quá trình bốc hơi một lần nữa. Cứ thế, nó tiếp diễn vô tận.

Nhưng nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện Bách khoa Renselaer tại New York và Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA lại chỉ ra rằng đó không phải những gì diễn ra trên trạm vũ trụ này. Thực tế, hơi nước lại làm ngược lại những gì mà bạn nghĩ: nó tiếp tục ngưng tụ kể cả khi đang nằm tại điểm nhiệt khiến nó bay hơi, và đây là một vấn đề cần phải được giải quyết trong các hệ thống máy móc kĩ thuật được đưa lên vũ trụ trong tương lai.

Ba dạng của vật chất.

Những ống nhiệt truyền thống trên trạm ISS được chia thành 3 phần – 3 giai đoạn: bay hơi ở đầu có nhiệt độ cao, ngưng tụ ở đầu có nhiệt độ thấp và và phần đoạn nhiệt ở giữa – nơi không xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt. Trong những thử nghiệm ở môi trường vi trọng lực, những yếu tố này trở nên phức tạp hơn nhiều.

Nghiên cứu mới này dựa trên những quan sát mà các nhà nghiên cứu nhận thấy hồi năm 2015, khi mà việc tăng nhiệt độ đầu vào cho ống nhiệt không khiến cho nơi được cung cấp nhiệt khô hơn như dự kiến, mà thay vào đó lại khiến dung dịch tích lũy tại điểm đó - hiện tượng ngưng tụ đã diễn ra.

Để tìm ra điều kì lạ gì đang xảy ra, các nhà nghiên cứu thực hiện một thử nghiệm khác trên trạm ISS với dung dịch pentan trong ống nhiệt. Họ tìm ra rằng khi tăng lượng nhiệt đưa vào bề mặt chất, lượng chất ngưng tụ lại tăng lên – ngược lại với những gì ta mong đợi.

Điều này vẫn tiếp tục diễn ra khi nhiệt độ lên tới 160 K cao hơn nhiệt độ sôi của pentan, đáng tiếc đó cũng là mốc giới hạn của thử nghiệm, khi mà vật chất trở nên kém ổn định khiến thử nghiệm không còn an toàn nữa. “Bề mặt chúng càng nóng, hơi càng ngưng tụ lại”, các nhà nghiên cứu giải thích.

Những dung dịch khi vượt quá nhiệt độ sôi được gọi chung là bước vào giai đoạn “siêu nóng – superheated” và trong thử nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã mô tả đầu được cung cấp nhiệt của ống thử nghiệm là “được đổ đầy thứ dung dịch siêu nóng”.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu chưa thể giải thích một cách chắc chắn điều gì đã xảy ra, nhưng họ đưa ra giả thuyết rằng có thể nó liên quan tới hiện tượng có tên Hiệu ứng Marangoni – một hiện tượng xảy ra bởi chính cấu trúc mạch dẫn bên trong những ống nhiệt, khiến cho dung dịch lạnh với sức căng bề mặt cao hơn kéo dung dịch nóng về phía nó.

Ví dụ về sức căng bề mặt.

Về cơ bản, giả thuyết này nên lên việc sức căng bề mặt không thay đổi xuyên suốt ống nhiệt và građien nhiệt độ (vector nhiệt hướng tới điểm nhiệt lớn nhất) khác nhau ở các điểm khác nhau trên bề mặt vật chất.

“Cuối cùng, hiệu ứng đã tạo ra một mạch chảy mang tính chất Marangoni – từ đầu được cấp nhiệt cho tới đầu lạnh và một nguồn nữa từ giữa ống cho tới thành ống”, Lisa Zyga từ tạp chí Phys.org giải thích.

“Những dòng chảy này xảy ra ngay cả trong ‘khu vực bay hơi’ của ống nhiệt, và chúng tạo ra một sự bất ổn bên trong lớp dung dịch, qua đó làm tăng khả năng ngưng tụ”.

Một điều thú vị nữa, hiện tượng kì lạ này cũng diễn ra ngay trên Trái Đất, có điều chúng xảy ra ở quy mô rất nhỏ bởi lực hấp dẫn mạnh không cho phép dung dịch chảy từ điểm lạnh tới điểm nóng của ống nhiệt. Đội ngũ hiện đang tiếp tục nghiên cứu xem điều gì đang xảy ra bên trong hiện tượng kì quái này.

Tham khảo ScienceAlert, Phys, Physical Review Letters