De meeste mensen beschouwen het koken van water als iets vanzelfsprekends. Voor Matteo Bucci, een associate professor aan het MIT, is het ontcijferen van de fysica achter koken een decennialange reis vol onverwachte uitdagingen en nieuwe inzichten. Koken lijkt misschien eenvoudig, maar het is extreem moeilijk te bestuderen in complexe systemen zoals kernreactoren. Toch ligt het aan de basis van verschillende belangrijke industriële processen. Het begrijpen van deze geheimen kan leiden tot vooruitgangen in efficiënte energieproductie, koeling van elektronica, waterontzilting en medische diagnostiek.
“Koken is belangrijk voor toepassingen die veel verder gaan dan nucleaire energie,” zegt Bucci, die in juli zijn tenure aan het MIT verkreeg. “Het koken wordt gebruikt in 80 procent van de energiecentrales die elektriciteit opwekken. Mijn onderzoek heeft implicaties voor ruimtevaart, energieopslag, elektronica en de steeds belangrijker wordende taak van het koelen van computers.”
Wetenschappelijk Onderzoek naar Koken
Bucci’s laboratorium heeft nieuwe experimentele technieken ontwikkeld om een breed scala aan kook- en warmteoverdrachtfenomenen te belichten die energieprojecten decennia lang hebben beperkt. Een van de belangrijkste problemen betreft de bubbels die zo snel ontstaan dat ze een dampband over een oppervlak creëren, waardoor verdere warmteoverdracht wordt verhinderd. In 2023 ontwikkelden Bucci en zijn collega’s een unificerend principe dat deze ‘kookcrisis’ regelt. Dit kan leiden tot efficiëntere nucleaire reactors en het voorkomen van catastrofale mislukkingen.
“Wat is het beste onderzoek?” vraagt Bucci. “Het beste onderzoek is het volgende. Ik denk dat Alfred Hitchcock ooit zei dat het niet uitmaakt hoe goed je laatst film was. Als je volgende slecht is, zullen mensen het niet herinneren. Ik vertel altijd tegen mijn studenten dat ons volgende onderzoek beter moet zijn dan het vorige. Het is een continu verbeteringsproces.”
Van Ingenieur naar Onderzoeker
Bucci groeide op in een klein Italiaans dorp met ongeveer 1.000 inwoners. Hij leerde mechanische vaardigheden door te werken in de machinefabriek van zijn vader en door apparaten zoals wasmachines en airconditioners uit elkaar te halen. Ook ontwikkelde hij een passie voor fietsen, wat hem in staat stelde om in de sport te concurreren totdat hij naar de Universiteit van Pisa ging voor zijn undergraduate en graduate studies.
In de universiteit was Bucci gefascineerd door materie en de oorsprong van het leven, maar hij hield ook van bouwen. Toen het tijd was om te kiezen tussen natuurkunde en techniek, besloot hij dat nucleaire techniek een goede middenweg was. “Ik heb een passie voor constructie en voor begrijpen hoe dingen zijn gemaakt,” vertelt Bucci. “Nucleaire engineering was een zeer onwaarschijnlijke maar voor de hand liggende keuze.”
Onderzoek en Innovatie
Voor zijn PhD ging Bucci naar Frankrijk, waar hij zijn vrouw ontmoette en vervolgens bij een Frans nationaal laboratorium werkte. Op een dag vroeg zijn afdelingshoofd hem om te werken aan een probleem in de veiligheid van nucleaire reactors, bekend als tijdelijke kook. Om dit op te lossen, wilde hij een meetmethode gebruiken die werd ontwikkeld door MIT Professor Jacopo Buongiorno. Hij ontving financiering om als gastwetenschapper naar MIT te komen in 2013, en sindsdien bestudeert hij koken aan het MIT.
Tegenwoordig ontwikkelt Bucci’s laboratorium nieuwe diagnostische technieken om koken en warmteoverdracht te bestuderen, samen met nieuwe materialen en coatings die de warmteoverdracht kunnen verbeteren. Het onderzoek heeft onderzoekers een ongekend inzicht gegeven in de omstandigheden binnen een nucleaire reactor.
“De diagnostiek die we hebben ontwikkeld kan de equivalente van 20 jaar experimenteel werk in een experiment van één dag verzamelen,” legt Bucci uit. “Die gegevens leidden ons op hun beurt naar een opmerkelijk eenvoudig model dat de kookcrisis beschrijft.”
“De effectiviteit van het kookproces op het oppervlak van nucleaire reactorbekleding bepaalt de efficiëntie en de veiligheid van de reactor,” legt Bucci verder uit. “Het is als een auto die je wilt versnellen, maar er is een bovenlimiet. Voor een nucleaire reactor wordt die bovenlimiet bepaald door de warmteoverdracht tijdens het koken. Wij zijn geïnteresseerd in het begrijpen van die bovenlimiet en hoe we deze kunnen overwinnen om de reactorprestaties te verbeteren.”
De Rol van AI in Onderzoek
Een van de meest impactvolle onderzoeksgebieden voor Bucci is het koelen met behulp van twee fasen, een proces waarbij hete serveronderdelen vloeistof laten koken, waarna de resulterende damp bovenaan op een warmtewisselaar condenseert, wat een constante, passieve cyclus van koeling creëert.
“Het houdt chips koud met minimaal energieverlies, waardoor het elektriciteitsverbruik en de CO2-uitstoot van datacentra aanzienlijk afnemen,” legt Bucci uit. “Datacentra stoten net zoveel CO2 uit als de hele luchtvaartindustrie. Tegen 2040 zullen ze meer dan 10 procent van de emissies voor hun rekening nemen.”
Onderwijs en Studentenondersteuning
Bucci vindt het werken met studenten het meest lonende aspect van zijn werk: “Ze hebben zoveel passie en competentie. Het is motiverend om samen te werken met mensen die dezelfde passie delen.” Hij benadrukt dat studenten vaak helemaal geen angst hebben om nieuwe ideeën te verkennen. Soms moet je ze zelfs afremmen en weer op de juiste koers brengen.
In het runnen van het Red Lab in de afdeling Nucleaire Wetenschap en Techniek probeert Bucci zijn studenten zelfstandigheid en ondersteuning te bieden. “We zijn niet alleen studenten aan het opleiden, maar ook toekomstige onderzoekers,” zegt Bucci. “Het belangrijkste is om niet alleen de tools te geven, maar ook het vertrouwen en de zelfstandigheid om problemen op te lossen.”
Sommige van de uniekere experimenten die Bucci’s studenten uitvoeren, vereisen dat ze metingen verzamelen terwijl ze in een vliegtuig vrij vallen om zo nul zwaartekracht te bereiken. “Ruimteonderzoek is de grote fantasie van alle kinderen,” zegt Bucci, die ongeveer twee keer per jaar bij deze experimenten de studenten bijstaat. “Het is heel leuk en inspirerend onderzoek voor studenten. Nul g biedt je een nieuw perspectief op het leven.”
Toekomstige Ontwikkelingen met AI
Bucci is ook enthousiast over de mogelijkheden van kunstmatige intelligentie in zijn vakgebied. In 2023 was hij co-ontvanger van een multi-universitaire onderzoeksinitiatief (MURI) project in thermische wetenschappen dat uitsluitend aan machine learning is gewijd. In een knipoog naar de belofte die AI voor zijn vakgebied biedt, heeft Bucci onlangs een tijdschrift opgericht, AI Thermal Fluids, om AI-gedreven onderzoeksdoorbraken te belichten.
“Onze gemeenschap heeft geen thuis voor mensen die machine learning-technieken willen ontwikkelen,” zegt Bucci. “We wilden een avenue creëren voor mensen in computerwetenschappen en thermische wetenschappen om samen te werken en vooruitgang te boeken. Ik denk dat we computerwetenschappers echt in onze gemeenschap moeten betrekken om dit proces te versnellen.”
Bucci gelooft ook dat AI kan worden gebruikt om enorme hoeveelheden data te verwerken die zijn verzameld met behulp van de nieuwe experimentele technieken die hij heeft ontwikkeld, evenals om fenomenen te modelleren die onderzoekers momenteel niet kunnen bestuderen.
“Het is mogelijk dat AI ons de kans biedt om dingen te begrijpen die niet kunnen worden waargenomen, of ons op zijn minst kan begeleiden in de duisternis terwijl we proberen de oorzaken van veel problemen te vinden,” zegt Bucci. Zijn visie voor de toekomst is optimistisch, met de hoop dat AI niet alleen de wetenschap vooruit kan helpen, maar ook kan bijdragen aan een duurzamere en efficiëntere wereld.
