Studying heat transfer with supercomputers

Thermal conductivity plays a fundamental role in many processes

“Our goal? To radically innovate numerical simulations in the field of thermal transport to take on the great science and technology issues in which this phenomenon is so central. This new study, which has designed a new method with which to analyse heat transfer data more efficiently and accurately, is an important step in this direction”. This is how Stefano Baroni describes this new research performed at Trieste’s SISSA by a group led by him, which has just been published in the Scientific Reports journal. The research team focused on studying thermal transfer, the physics mechanism by which heat tends to flow from a warmer to a cooler body. Familiar to everyone, this process is involved in a number of fascinating scientific issues such as, for example, the evolution of the planets, which depends crucially on the cooling process within them.

But it is also crucial to the development of various technological applications: from thermal insulation in civil engineering to cooling in electronic devices, from maintaining optimal operating temperatures in batteries to nuclear plant safety and storage of nuclear waste. “Studying thermal transfer in the laboratory is complicated, expensive and sometimes impossible, as in the case of planetology. Numerical simulation, on the other hand, enables us to understand the hows and whys of such phenomena, allowing us to calculate precisely physical quantities which are frequently not accessible in the lab, thereby revealing their deepest mechanisms”, explains Baroni. The problem is that until a short time ago it was not possible to do numerical simulations in this field with the same sophisticated quantum methodologies used so successfully for many other properties: “The equations needed to computeheat currents from the molecular properties of materials were not known. Our research group overcame this obstacle a few years ago formulating a new microscopic theory of heat transfer”. But a further issue needed resolving.

The simulation times required to describe the heat transfer process are hundreds of times longer than those currently used to simulate other properties. And this understandably posed a number of problems. “With this new research, bringing together concepts demonstrated by previous theories - especially that known as the Green-Kubo theory - with our knowledge of the quantum simulation field we understood how to analyse the data to simulate heat conductivity in a sustainable way in terms of computer resources and, consequently, cost. And this opens up extremely important research possibilities and potential applications for these studies”. With one curiosity which Baroni reveals: “The technique we have formulated is adapted from a methodology used in  completely different sectors, such as electronic engineering, to study the digitilization of sound, and quantitative social sciences and economics, to study the dynamics of complex processes such as financial markets, for example. It is interesting to see how unexpected points of contact and cross fertilisation can sometimes arise among such different fields”. (image Istock)

Download -> Press Release


“Il nostro obiettivo? Innovare radicalmente le simulazioni numeriche nel campo della conducibilità termica per affrontare i grandi temi della scienza e della tecnologia in cui questo fenomeno svolge un ruolo basilare. Questo nuovo studio, con cui abbiamo messo a punto un nuovo metodo per analizzare in modo più efficiente ed accurato i dati sul trasporto di calore, è un importante passo in questa direzione”. È così che Stefano Baroni commenta la nuova ricerca da lui coordinata alla SISSA di Trieste e appena pubblicata sulla rivista Scientific Reports. L’equipe di ricerca si è concentrata sullo studio del trasporto termico, il meccanismo fisico per cui il calore tende a passare da un corpo più caldo a uno più freddo. Questo processo, a tutti familiare, è coinvolto in una quantità di affascinanti questioni scientifiche come, ad esempio, l’evoluzione dei pianeti che dipende in modo cruciale dal

processo di raffreddamento del loro interno. Ma risulta importante anche per lo sviluppo di diverse applicazioni tecnologiche: dall’isolamento termico nell’ingegneria civile, al raffreddamento dei dispositivi elettronici ed il mantenimento di temperature di esercizio ottimali nelle batterie, fino alla sicurezza degli impianti nucleari e lo stoccaggio delle scorie radioattive. “Studiare i processi di trasporto termico in laboratorio è complicato, costoso o, talvolta, impossibile, come nel caso della planetologia. Le simulazioni numeriche invece permettono di capire il come e il perché dei fenomeni permettendo di calcolare con precisione quantità fisiche spesso non accessibili in laboratorio, svelandone i meccanismi più profondi” spiega Baroni. Il problema è che fino a poco tempo non era possibile eseguire simulazioni numeriche nel campo della conducibilità termica con le stesse sofisticate metodologie quantistiche utilizzate con enorme successo per molte altre proprietà: “Non si conoscevano le equazioni necessarie a descrivere le proprietà microscopiche della corrente di calore. Il nostro gruppo di ricerca ha sormontato questo ostacolo qualche anno fa, formulando una nuova teoria microscopica del trasporto termico”. Ma c’era un altro nodo da sciogliere. Il tempo di simulazione necessario per descrivere i processi di trasporto termico è di diverse centinaia di volte superiore a quello correntemente utilizzato per simulare altre proprietà. E questo, com’è comprensibile, crea diversi problemi.

“Con questo nuovo lavoro, unendo concetti illustrati da teorie precedenti - in particolare quella nota come teoria di Green-Kubo -  con le nostre conoscenze nel campo della simulazione quantistica, abbiamo capito come analizzare i dati per stimare la conducibilità termica in modo sostenibile, in termini di lunghezza del processo e, come conseguenza, di costi. E questo apre delle prospettive importantissime per la ricerca e per le possibili applicazioni di questi studi”. Con una curiosità, che Baroni svela: “La tecnica che abbiamo messo a punto è l’adattamento di una metodologia utilizzata in un settore completamente diverso, quello delle scienze sociali quantitative e dell’economia, per studiare l’evoluzione temporale di processi complessi, come ad esempio i mercati finanziari. È interessante vedere come aree fra loro molto lontane possano talvolta trovare imprevedibili punti di contatto e di mutua fertilizzazione”.

Scarica -> Comunicato Stampa

 

A cura dell'Ufficio Stampa

SISSA

Newsletter

Please click here if you want to subscribe to our newsletter