A maioria das pessoas considera 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 repleta de desafios inesperados e novos insights.
O fenómeno aparentemente simples é extremamente difícil de estudar em sistemas complexos como os reactores nucleares e, no entanto, está no centro de uma vasta gama de processos industriais importantes. Desvendar os seus segredos poderia, assim, permitir avanços na produção eficiente de energia, no arrefecimento de componentes eletrónicos, na dessalinização da água, nos diagnósticos médicos e muito mais.
“A fervura é importante para aplicações muito além da nuclear”, diz Bucci, que ingressou no MIT em julho. “A fervura é utilizada em 80% das usinas que produzem eletricidade. Minha pesquisa tem implicações para a propulsão espacial, armazenamento de energia, eletrônica e a tarefa cada vez mais importante de resfriar computadores.”
O laboratório de Bucci desenvolveu novas técnicas experimentais para esclarecer uma ampla gama de fenômenos de ebulição e transferência de calor que têm limitado projetos de energia há décadas. O principal deles é um problema causado pela formação de bolhas tão rapidamente que criam uma faixa de vapor em uma superfície que impede maior transferência de calor. Em 2023, Bucci e colaboradores desenvolveram um princípio unificador que governa o problema, conhecido como a crise em ebulição, que poderia permitir reatores nucleares mais eficientes e evitar falhas catastróficas.
Para Bucci, cada progresso traz novas possibilidades – e novas questões para responder.
“Qual é o melhor papel?” Bucci pergunta. “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 dele. 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 vila italiana onde Bucci cresceu tinha uma população de cerca de 1.000 habitantes durante sua infância. Ele adquiriu habilidades mecânicas trabalhando na oficina mecânica de seu pai e desmontando e remontando aparelhos como máquinas de lavar e aparelhos de ar condicionado para ver o que havia dentro. Ele também se apaixonou pelo ciclismo, competindo no esporte até cursar graduação e pós-graduação na Universidade de Pisa.
Na faculdade, Bucci period fascinado pela matéria e pelas origens da vida, mas também gostava de construir coisas, por isso, quando chegou a hora de escolher entre física e engenharia, decidiu que a engenharia nuclear period um bom meio-termo.
“Tenho paixão pela construção e por entender como as coisas são feitas”, diz Bucci. “A engenharia nuclear period uma escolha muito improvável, mas óbvia. Period improvável porque em Itália a energia nuclear já estava fora do panorama energético, por isso éramos muito poucos. Ao mesmo tempo, houve uma combinação de desafios intelectuais e práticos, que é o que eu gosto.”
Para fazer o doutorado, Bucci foi para a França, onde conheceu sua esposa, e passou a trabalhar em um laboratório nacional francês. Um dia, o chefe de seu departamento pediu-lhe que trabalhasse em um problema de segurança de reatores nucleares conhecido como ebulição transitória. Para resolvê-lo, ele queria usar um método para fazer medições desenvolvido pelo professor do MIT, Jacopo Buongiorno, então recebeu uma bolsa para se tornar um cientista visitante no MIT em 2013. Ele tem estudado fervura no MIT desde então.
Hoje, o laboratório de Bucci está desenvolvendo novas técnicas de diagnóstico para estudar a ebulição e a transferência de calor, juntamente com novos materiais e revestimentos que poderiam tornar a transferência de calor mais eficiente. O trabalho deu aos pesquisadores uma visão sem precedentes das condições dentro de um reator nuclear.
“Os diagnósticos que desenvolvemos podem coletar o equivalente a 20 anos de trabalho experimental em um experimento de um dia”, diz Bucci.
Esses dados, por sua vez, levaram Bucci a um modelo notavelmente simples que descreve a crise em ebulição.
“A eficácia do processo de ebulição na superfície do revestimento do reator nuclear determina a eficiência e a segurança do reator”, explica Bucci. “É como um carro que você quer acelerar, mas há um limite máximo. Para um reator nuclear, esse limite superior é ditado 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.”
Outra área de pesquisa particularmente impactante para Bucci é o resfriamento por imersão em duas fases, um processo em que as peças quentes do servidor fazem o líquido ferver e, em seguida, o vapor resultante se condensa em um trocador de calor acima para criar um ciclo de resfriamento passivo e constante.
“Ele mantém os chips resfriados com desperdício mínimo de energia, reduzindo significativamente o consumo de eletricidade e as emissões de dióxido de carbono dos knowledge facilities”, explica Bucci. “Os knowledge facilities emitem tanto CO2 quanto toda a indústria da aviação. Até 2040, serão responsáveis por mais de 10% das emissões.”
Apoiando estudantes
Bucci diz que trabalhar com estudantes é a parte mais gratificante do seu trabalho. “Eles têm muita paixão e competência. É motivador trabalhar com pessoas que têm a mesma paixão que você.”
“Meus alunos não têm medo de explorar novas ideias”, acrescenta Bucci. “Eles quase nunca param diante de um obstáculo – às vezes a ponto de ser necessário desacelerá-los e colocá-los de volta no caminho certo.”
Ao administrar o Pink Lab no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear, Bucci tenta dar independência e apoio aos alunos.
“Não estamos educando estudantes, estamos educando futuros pesquisadores”, diz Bucci. “Acho que a parte mais importante do nosso trabalho é não apenas fornecer as ferramentas, mas também dar confiança e atitude empreendedora para resolver problemas. Podem ser problemas de negócios, problemas com experimentos, problemas com seus colegas de laboratório.”
Alguns dos experimentos mais exclusivos que os alunos de Bucci realizam exigem que eles coletem medidas durante a queda livre em um avião para atingir a gravidade zero.
“A pesquisa espacial é a grande fantasia de todas as crianças”, diz Bucci, que se junta aos alunos nas experiências cerca de duas vezes por ano. “É uma pesquisa muito divertida e inspiradora para os alunos. Zero g oferece uma nova perspectiva de vida.”
Aplicando IA
Bucci também está entusiasmado com a incorporação da inteligência synthetic em sua área. Em 2023, ele foi co-beneficiário de um projeto de iniciativa de pesquisa multiuniversitária (MURI) em ciências térmicas dedicado exclusivamente ao aprendizado de máquina. Em homenagem à promessa que a IA tem em sua área, Bucci também fundou recentemente um jornal chamado Fluidos Térmicos AI para apresentar avanços de pesquisa orientados por IA.
“Nossa comunidade não tem um lar para pessoas que desejam desenvolver técnicas de aprendizado de máquina”, diz Bucci. “Queríamos criar um caminho para que as pessoas da ciência da computação e da ciência térmica trabalhassem juntas para progredir. 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 enormes quantidades de dados coletados usando as novas técnicas experimentais que desenvolveu, bem como para modelar fenômenos que os pesquisadores ainda não podem estudar.
“É possível que a IA nos dê a oportunidade de compreender coisas que não podem ser observadas, ou pelo menos nos guiar no escuro enquanto tentamos encontrar as causas profundas de muitos problemas”, diz Bucci.