プラズマビームはいつか過熱した電子機器を瞬時に冷却できるかもしれない

地球の空気は軍用機の電子機器システムにとって適切で便利な冷却剤となることが多く、海水も海軍艦艇にとって同様の役割を果たします。しかし、惑星の表面から遠ざかるほど、たとえば上層大気や宇宙空間では、どちらの冷却剤も利用できなくなります。冷却剤は重く、貴重な機内スペースを占めるため、電子機器を安全な温度に保つのは非常に困難です。ACS Nanoに最近発表された新しい研究結果によると、プラズマを利用することで潜在的な助けが見つかるかもしれません。皮肉なことに、プラズマは星や稲妻を構成するのと同じ物質です。

バージニア大学の熱工学実験およびシミュレーション (ExSITE) 研究所の研究者たちは、表面を急速に冷却する、これまで実現されていなかった非常に有望な方法、プラズマ「凍結」光線を発見しました。

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プラズマを使って温度を下げるというのは直感に反するように思えるかもしれない。結局のところ、プラズマは簡単に華氏45,000度以上に熱せられるからだ。しかし、機械・航空宇宙エンジニアのパトリック・ホプキンス氏によると、物質の第4の状態を集中的に噴射すると、非常に興味深い熱力学的結果が得られるという。

「私が専門としているのは、非常に高速で非常に小さな温度測定を行うことです」とホプキンス氏は最近説明した。「プラズマをオンにすると、プラズマが当たった場所の温度をすぐに測定でき、表面がどのように変化するかを見ることができます。」

ホプキンス氏のチームは実験で、ヘリウムで生成されたプラズマの紫色のジェットを、セラミックでコーティングされた細い針を通して金メッキされたターゲットに発射しました。その後、彼らは特殊なカスタム顕微鏡機器を使用してターゲットの表面への影響を測定し、驚くべき結果を記録しました。

「表面が最初に冷え、その後熱くなるのが分かりました」とホプキンス氏は語った。

研究チームは、この現象を繰り返しテストし観察した結果、プラズマビームがまず炭素と水分子の極薄層に当たり、夏にプールから出た後に自然乾燥させたときのようにコーティングが急速に蒸発するに違いないと結論付けた。もっと簡単に言えば、ホプキンス氏は素材を汗ばませているのだ。

「体内の水分子の蒸発にはエネルギーが必要です。体からエネルギーを奪うので、寒く感じるのです」とホプキンス氏は言う。「この場合、血漿が吸収した分子を剥ぎ取り、エネルギーが放出され、それが冷却効果をもたらすのです。」

研究者たちは、数マイクロ秒間に数度もの温度低下を計測した。人間にとっては大したことないかもしれないが、このような差は、精密で高度な電子機器や機器には非常に役立つ可能性がある。今後、ホプキンス氏のチームは、さまざまなプラズマガスと、銅や半導体などのさまざまな材料への影響の両方について実験する。最終的には、ロボットアームのアタッチメントが、電極からの小さなプラズマショットを介してデバイス内のホットスポットを正確に特定して冷却できるようになることを研究者たちは思い描いている。

「このプラズマジェットはレーザービームのようで、稲妻のようなものです」とホプキンス氏は言う。「非常に局所的になる可能性があります。」