Muitas pessoas consideram a água fervente um dado adquirido. Para o professor associado Matteo Bucci, descobrir a física por trás da fervura foi uma jornada de uma década cheia de desafios inesperados e novas ideias.
Este fenómeno aparentemente simples é particularmente difícil de estudar em sistemas complexos como os reactores nucleares, mas está no centro de uma vasta gama de processos industriais importantes. Desvendar os seus segredos poderia permitir avanços na produção eficiente de energia, refrigeração eletrónica, dessalinização, diagnóstico de doenças e muito mais.
“A fervura é importante para aplicações além da nuclear”, disse Bucci, que recebeu o cargo no MIT em julho. “A fervura é utilizada por 80% das indústrias geradoras de energia. Minha pesquisa envolve viagens espaciais, armazenamento de energia, eletrônica e a tarefa cada vez mais importante de resfriar computadores.”
O laboratório de Bucci desenvolveu novas técnicas experimentais para iluminar uma variedade de condições de ebulição e transferência de calor com projetos de energia limitados durante décadas. O principal deles é o problema causado pela formação rápida de bolhas que criam um cinturão de vapor na área que impede maior transferência de calor. Em 2023, Bucci e colaboradores desenvolveram um sistema unificado que controla o problema, conhecido como ponto de ebulição, que permitiria que os reatores nucleares funcionassem com mais eficiência e evitassem falhas catastróficas.
Para Bucci, cada passo em frente traz novas oportunidades – e novas questões a serem respondidas.
“Qual papel é o melhor?” Bucci perguntou. “O melhor artigo é o próximo. Acho que Alfred Hitchcock costumava dizer que não importa quão bom foi o seu último filme. Se o seu próximo for pobre, as pessoas não se lembrarão de você. Sempre digo aos meus alunos que nosso próximo trabalho deve ser sempre melhor que o anterior. É uma jornada contínua de melhoria.”
Da engenharia às bolhas
A cidade italiana onde Bucci cresceu teve cerca de 1.000 habitantes durante sua infância. Ele adquiriu habilidades práticas trabalhando na oficina mecânica de seu pai e desmontando e remontando aparelhos elétricos, como máquinas de lavar e aparelhos de ar condicionado, para ver o que havia dentro. Ele também tinha paixão pelo ciclismo, competindo no esporte e até frequentou a Universidade de Pisa para fazer graduação e pós-graduação.
Na faculdade, Bucci era fascinado pela matéria e pelas origens da vida, mas também adorava materiais de construção, por isso, quando chegou a hora de escolher entre física e engenharia, decidiu que a engenharia nuclear era um bom meio-termo.
“Tenho paixão por construir e entender como as coisas são feitas”, disse Bucci. “A engenharia nuclear era muito improvável, mas óbvia. Era impossível porque em Itália a energia nuclear já não estava no domínio da energia, por isso éramos muito poucos. Ao mesmo tempo, houve uma combinação de desafios intelectuais e práticos, dos quais gosto. “
Com o doutorado, Bucci foi para a França, onde conheceu sua esposa, e continuou trabalhando em uma oficina francesa. Um dia, o chefe de seu departamento pediu-lhe que trabalhasse em um problema de segurança de uma usina nuclear conhecido como ebulição de curto prazo. Para resolvê-lo, ele queria usar um método de medição pioneiro do professor do MIT, Jacopo Buongiorno, por isso recebeu uma bolsa para ser cientista visitante no MIT em 2013. Ele estudou cerveja no MIT desde então.
Hoje, o laboratório de Bucci está desenvolvendo novas técnicas de diagnóstico para estudar a ebulição e a transferência de calor, bem como novos materiais e rochas que podem tornar a transferência de calor mais eficiente. Este trabalho deu aos pesquisadores uma visão sem precedentes das condições dentro de um reator nuclear.
“Os métodos de diagnóstico que desenvolvemos podem reunir o equivalente a 20 anos de trabalho experimental em um dia de pesquisa”, disse Bucci.
Esses dados, por sua vez, levaram Bucci a um modelo extremamente simples que explicava o problema subjacente.
“O sucesso do processo de ebulição na superfície de um reator nuclear determina a eficiência e a segurança do reator”, explicou Bucci. “É como um carro com o qual você quer andar rápido, mas há um limite máximo. Num reator nuclear, esse limite superior é determinado pela transferência de calor em ebulição, por isso estamos interessados em entender qual é esse limite superior e como podemos superá-lo para melhorar o desempenho do reator.”
Uma área particularmente influente da pesquisa de Bucci é o resfriamento por imersão em duas fases, um processo no qual os componentes quentes do servidor fervem um líquido e o vapor resultante se condensa em um trocador de calor acima para criar um ciclo de resfriamento contínuo.
“Ele mantém os chips resfriados com menos desperdício de energia, reduzindo significativamente o consumo de eletricidade e as emissões de dióxido de carbono nos data centers”, explicou Bucci. “Os data centers emitem tanto CO2 quanto todo o setor da aviação. Em 2040, representarão mais de dez por cento das emissões.”
Apoiando estudantes
Bucci diz que trabalhar com estudantes é a parte mais gratificante do seu trabalho. “Eles têm muita paixão e habilidade. É inspirador trabalhar com pessoas que têm a mesma paixão que você.”
“Meus alunos não têm medo de explorar novas ideias”, acrescentou Bucci. “Eles quase nunca param na frente de um obstáculo – às vezes até que você tenha que desacelerá-los e colocá-los de volta no caminho certo.”
Ao administrar o Red Lab no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear, Bucci se esforça para proporcionar independência e apoio aos alunos.
“Não estamos ensinando estudantes, estamos ensinando futuros pesquisadores”, disse Bucci. “Acho que a parte mais importante do nosso trabalho não é apenas fornecer ferramentas, mas também proporcionar confiança e uma atitude empreendedora para resolver problemas. Podem ser problemas de negócios, problemas de testes, problemas com seus parceiros de laboratório.”
Outro experimento único conduzido pelos alunos de Bucci exigiu que eles coletassem medidas durante a queda livre em um avião em gravidade zero.
“A exploração espacial é o sonho de toda criança”, disse Bucci, que se junta aos alunos na exploração cerca de duas vezes por ano. “É muito interessante e incentiva a pesquisa dos alunos. Zero g oferece uma nova perspectiva de vida.”
Ele usa IA
Bucci também está entusiasmado com a incorporação da inteligência artificial em sua área. Em 2023, ele recebeu um projeto de iniciativa de pesquisa multiuniversitária (MURI) em uma ciência dedicada exclusivamente ao aprendizado de máquina. Em homenagem à promessa que a IA representa para sua área, Bucci também fundou um jornal chamado Fluidos Térmicos AI incluir avanços na pesquisa baseada em IA.
“Nossa sociedade não tem um lar para pessoas que desejam desenvolver técnicas de aprendizado de máquina”, disse Bucci. “Queríamos criar uma maneira para que as pessoas da ciência da computação e da ciência térmica trabalhassem juntas para melhorar. Acho que realmente precisamos trazer cientistas da computação para nossa comunidade para acelerar esse processo. “
Bucci também acredita que a IA pode ser usada para processar grandes quantidades de dados coletados usando novas técnicas experimentais que ele desenvolveu e para modelar fenômenos que os pesquisadores ainda precisam aprender.
“É possível que a IA nos dê a oportunidade de compreender coisas que não podem ser vistas, ou pelo menos nos guiar no escuro enquanto tentamos encontrar as causas de muitos problemas”, disse Bucci.
