La mayoría de la gente da por sentado el agua hirviendo. Para el profesor asociado Matteo Bucci, descubrir la física detrás de la ebullición ha sido un viaje de una década lleno de desafíos inesperados y nuevos conocimientos.
Este fenómeno aparentemente simple es extremadamente difícil de estudiar en sistemas complejos como los reactores nucleares y, sin embargo, se encuentra en el centro de una amplia gama de procesos industriales importantes. Por lo tanto, descubrir sus secretos podría permitir avances en la producción eficiente de energía, el enfriamiento de dispositivos electrónicos, la desalinización del agua, el diagnóstico médico y más.
«La ebullición es importante para aplicaciones mucho más allá de la nuclear», dice Bucci, quien obtuvo un puesto titular en el MIT en julio. “La ebullición se utiliza en el 80 por ciento de las centrales eléctricas que producen electricidad. Mi investigación tiene implicaciones para la propulsión espacial, el almacenamiento de energía, la electrónica y la tarea cada vez más importante de enfriar las computadoras”.
El laboratorio de Bucci ha desarrollado nuevas técnicas experimentales para arrojar luz sobre una amplia gama de fenómenos de ebullición y transferencia de calor que han limitado los proyectos energéticos durante décadas. El principal de ellos es un problema causado por la formación de burbujas tan rápidamente que crean una banda de vapor a través de una superficie que impide una mayor transferencia de calor. En 2023, Bucci y sus colaboradores desarrollaron un principio unificador que rige el problema, conocido como crisis de ebullición, que podría permitir reactores nucleares más eficientes y prevenir fallas catastróficas.
Para Bucci, cada avance trae nuevas posibilidades y nuevas preguntas que responder.
«¿Cuál es el mejor artículo?» pregunta Bucci. “El mejor artículo es el siguiente. Creo que Alfred Hitchcock solía decir que no importa lo buena que haya sido tu última película. Si el próximo es pobre, la gente no lo recordará. Siempre les digo a mis alumnos que nuestro próximo trabajo siempre debe ser mejor que el anterior. Es un viaje continuo de mejora”.
De la ingeniería a las burbujas
El pueblo italiano donde creció Bucci tenía una población de aproximadamente 1.000 habitantes durante su infancia. Adquirió habilidades mecánicas trabajando en el taller mecánico de su padre y desmontando y volviendo a montar electrodomésticos como lavadoras y aires acondicionados para ver qué había dentro. También se apasionó por el ciclismo, compitiendo en este deporte hasta que asistió a la Universidad de Pisa para realizar estudios de pregrado y posgrado.
En la universidad, Bucci estaba fascinado con la materia y los orígenes de la vida, pero también le gustaba construir cosas, así que cuando llegó el momento de elegir entre física e ingeniería, decidió que la ingeniería nuclear era un buen término medio.
«Me apasiona la construcción y entender cómo se hacen las cosas», dice Bucci. “La ingeniería nuclear era una elección muy improbable pero obvia. Era poco probable porque en Italia la energía nuclear ya estaba fuera del panorama energético, por lo que éramos muy pocos. Al mismo tiempo, hubo una combinación de desafíos intelectuales y prácticos, que es lo que me gusta”.
Para realizar su doctorado, Bucci fue a Francia, donde conoció a su esposa y trabajó en un laboratorio nacional francés. Un día, el jefe de su departamento le pidió que trabajara en un problema de seguridad de los reactores nucleares conocido como ebullición transitoria. Para resolverlo, quería utilizar un método para realizar mediciones del que fue pionero el profesor del MIT Jacopo Buongiorno, por lo que recibió una subvención para convertirse en científico visitante en el MIT en 2013. Desde entonces ha estado estudiando la ebullición en el MIT.
Actualmente, el laboratorio de Bucci está desarrollando nuevas técnicas de diagnóstico para estudiar la ebullición y la transferencia de calor junto con nuevos materiales y recubrimientos que podrían hacer que la transferencia de calor sea más eficiente. El trabajo ha brindado a los investigadores una visión sin precedentes de las condiciones dentro de un reactor nuclear.
«Los diagnósticos que hemos desarrollado pueden recopilar el equivalente a 20 años de trabajo experimental en un experimento de un día», dice Bucci.
Esos datos, a su vez, llevaron a Bucci a un modelo notablemente simple que describe la crisis en ebullición.
«La eficacia del proceso de ebullición en la superficie del revestimiento del reactor nuclear determina la eficiencia y la seguridad del reactor», explica Bucci. “Es como un coche que quieres acelerar, pero hay un límite superior. Para un reactor nuclear, ese límite superior lo dicta la transferencia de calor en ebullición, por lo que estamos interesados en comprender cuál es ese límite superior y cómo podemos superarlo para mejorar el rendimiento del reactor”.
Otra área de investigación particularmente impactante para Bucci es el enfriamiento por inmersión en dos fases, un proceso en el que las partes calientes del servidor hacen hervir el líquido y luego el vapor resultante se condensa en un intercambiador de calor situado encima para crear un ciclo de enfriamiento pasivo y constante.
«Mantiene los chips fríos con un mínimo desperdicio de energía, lo que reduce significativamente el consumo de electricidad y las emisiones de dióxido de carbono de los centros de datos», explica Bucci. “Los centros de datos emiten tanto CO2 como toda la industria de la aviación. Para 2040, representarán más del 10 por ciento de las emisiones”.
Apoyando a los estudiantes
Bucci dice que trabajar con estudiantes es la parte más gratificante de su trabajo. “Tienen una gran pasión y competencia. Es motivador trabajar con personas que tienen la misma pasión que tú”.
«Mis alumnos no tienen miedo de explorar nuevas ideas», añade Bucci. «Casi nunca se detienen frente a un obstáculo, a veces hasta el punto en que hay que reducir la velocidad y volver a encaminarlos».
Al dirigir el Laboratorio Rojo en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, Bucci intenta brindar a los estudiantes independencia además de apoyo.
«No estamos educando a estudiantes, estamos educando a futuros investigadores», dice Bucci. “Creo que la parte más importante de nuestro trabajo es no sólo proporcionar las herramientas, sino también brindar la confianza y la actitud emprendedora para solucionar los problemas. Pueden ser problemas comerciales, problemas con experimentos, problemas con tus compañeros de laboratorio”.
Algunos de los experimentos más singulares que realizan los estudiantes de Bucci requieren que tomen medidas mientras caen libremente en un avión para lograr la gravedad cero.
«La investigación espacial es la gran fantasía de todos los niños», dice Bucci, quien se une a los estudiantes en los experimentos unas dos veces al año. “Es una investigación muy divertida e inspiradora para los estudiantes. La gravedad cero te ofrece una nueva perspectiva de la vida”.
Aplicando IA
Bucci también está entusiasmado con la incorporación de la inteligencia artificial a su campo. En 2023, fue co-destinatario de un proyecto de iniciativa de investigación multiuniversitaria (MURI) en ciencias térmicas dedicado exclusivamente al aprendizaje automático. En un guiño a la promesa que la IA tiene en su campo, Bucci también fundó recientemente una revista llamada Fluidos térmicos de IA para presentar avances de investigación impulsados por la IA.
«Nuestra comunidad no tiene un hogar para personas que quieran desarrollar técnicas de aprendizaje automático», dice Bucci. “Queríamos crear una vía para que las personas en informática y ciencias térmicas trabajaran juntas para progresar. Creo que realmente necesitamos incorporar científicos informáticos a nuestra comunidad para acelerar este proceso”.
Bucci también cree que la IA se puede utilizar para procesar grandes cantidades de datos recopilados utilizando las nuevas técnicas experimentales que ha desarrollado, así como para modelar fenómenos que los investigadores aún no pueden estudiar.
«Es posible que la IA nos dé la oportunidad de comprender cosas que no se pueden observar, o al menos guiarnos en la oscuridad mientras intentamos encontrar las causas fundamentales de muchos problemas», dice Bucci.
