Паттерны ветвления, подобные тем, которые исследователи исследовали при плавлении материалов, неоднократно возникают в природе, от навесов деревьев до расширяющихся дельт рек. По словам Адриана Бежана, профессора Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, подобные закономерности возникают в кажущихся разными системами, потому что один и тот же основной физический закон управляет эволюционным замыслом.В 1996 году Беджан определил физику, лежащую в основе этих разветвленных естественных конструкций, с новым принципом, который он назвал «Конструктивным законом», который гласит, что для того, чтобы проточные системы, такие как реки или деревья, выжили, они должны со временем эволюционировать, чтобы обеспечить более легкое и удобное функционирование. более легкий доступ к токам, которые проходят через них.
На практике это означает, что река будет менять русло по мере того, как она впадает в море, чтобы избежать препятствий, вызванных осаждением наносов, а растение будет переориентировать свои ветви в постоянных усилиях, чтобы облегчить поток питательных веществ и воды.В последующие два десятилетия Беджан и его коллеги показали, как эволюция различных природных и созданных руками человека конструкций, от снежинок до самолетов, объясняется Конструктивным законом.«Вокруг нас естественным образом происходит организация, и Конструктивный Закон — это физический принцип, лежащий в ее основе», — сказал Беджан. «Осталось проявить мудрость и положиться на принцип ускоренного развития технологий».В новой статье Бежан вместе с коллегами-исследователями из Университета Дьюка и Университета Тулузы во Франции применили закон для повышения эффективности технологии накопления энергии с фазовым переходом.
Системы накопления энергии с фазовым переходом используют тот факт, что материалы могут накапливать или выделять большое количество тепловой энергии при постоянной температуре, когда они претерпевают фазовый переход, такой как плавление или замерзание. Их можно использовать в зданиях, чтобы поглощать тепло днем и снова высвобождать его ночью, в космических кораблях для управления тепловым потоком и в солнечных энергетических установках для хранения избыточной энергии.«Традиционная архитектура заключается в том, чтобы встроить нагревательный и охлаждающий змеевики в материал с фазовым переходом, но наши исследования показывают, что то, что происходит естественным образом, также является лучшим способом распространения тепла в объеме: это дендритная структура, как рука с множеством пальцы, — сказал Беджан.
Исследователи обнаружили, что общая скорость плавления увеличилась за счет изменения длины, количества и угла разветвления «пальцев» со временем.Более высокая скорость плавления важна, потому что это означает, что тепловая энергия эффективно передается конечному количеству материала с фазовым переходом в системе. Максимизация теплопередачи к материалу с фазовым переходом особенно важна, если система используется для хранения энергии в транспортном средстве, где любой избыточный вес может ее замедлить, добавил Беджан.В общем, чем сложнее ветвящиеся структуры, тем быстрее процесс плавления, но существует закон убывающей отдачи. «Представьте себе, что вы строите разветвляющуюся структуру с миллиардами крошечных пальцев, соприкасающихся кончиками.
Вы бы сказали, забудьте об этом!» — сказал Беджан. В конце концов, человек-дизайнер предпочтет прервать последовательность улучшений в определенный момент из-за затрат и времени, которые связаны с дополнительной сложностью.
Конструктивный закон показывает, что природные системы постоянно развиваются. По словам Беджана, технологии пойдут по тому же пути. «Вы можете представить, что технология фазового перехода того времени будет иметь фиксированную древовидную архитектуру, но в последующие годы ее обгонит еще лучшая архитектура», — сказал Беджан.