Kontroliranje ekstremnih kavitacijskih pogojev z lasersko funkcionalizacijo površin (eCATS)

Kavitacija kot fizični pojav nastane zaradi lokalnega padca tlaka v tekočini in predstavlja majhne mehurčke plina/pare, ki rastejo in kolapsirajo na več mestih in lahko v kratkem času sprostijo veliko količino energije. Pojav lahko spremljajo ekstremne razmere, kot so močni strižni tokovi, nastanek mikro-curkov, udarni valovi in visoke lokalne temperature. To običajno povzroči neželene učinke, kot so erozija, izguba učinkovitosti, hrup in vibracije na mehanskih strojih in napravah. Kavitacija pa lahko služi tudi za intenziviranje različnih fizikalnih in kemijskih procesov, ki so pomembni za različne namene, kot so čiščenje površin, izboljšanje kemijskih procesov in čiščenje odpadnih voda. Da bi izkoristili ta ogromen potencial hidrodinamske kavitacije, že preučujemo temeljne mehanizme interakcije med mehurčki in kontaminanti (bakterijami in virusi) v okviru projekta ERC Consolidator Grant – CABUM.

Uporaba hidrodinamske kavitacije za čiščenje odpadnih voda ali v drugih procesih, zahteva ekstremne kavitacijske pogoje za svojo učinkovitost. Kavitacijska naprava, ki je običajno sestavljena iz kavitacijske komore, trpi zaradi močne obrabe materiala, hrupa in vibracij. Ta problem se trenutno obravnava s (i) spreminjanjem glavne geometrije kavitacijske komore ali pretočnega kanala ali (ii) z izbiro naprednih materialov z večjo odpornostjo proti erozijski obrabi. Sprememba geometrije pa lahko povzroči manj intenzivno kavitacijo in zato ni primerna za modeliranje ekstremnih kavitacijskih pogojev, potrebnih za dekontaminacijo, medtem ko zgolj povečana odpornost proti obrabi ne omogoča nadzora intenzivnosti kavitacije.

Da bi zapolnili to vrzel in razvili nov pristop za ustvarjanje ekstremnih pogojev kavitacije z minimiziranimi erozijskimi učinki na kavitacijsko napravo, predlagani projekt eCATS preučuje mehanizme interakcije med različnimi vrstami kavitacije in lasersko funkcionaliziranimi površinami. Za dosego tega rezultata bomo kombinirali različne geometrije telesa s funkcionaliziranimi površinami. Funkcionalizacijo površine bomo izvedli z lasersko nano- in mikro-obdelavo, ki smo jo že razvili v okviru našega projekta ARRS (št. J2-1741) in je bila dokazana kot ena najbolj obetavnih metod na področju površinskega inženirstva. Nedavne študije, ki uporabljajo kavitacijo kot napredno oksidacijsko metodo, se večinoma ukvarjajo z učinkovitostjo same metode. Tako običajno sledijo zelo poenostavljenemu principu – bolj intenzivna je kavitacija, učinkovitejši je postopek. Večina tako namerno zanemari posledice, kot sta erozija materiala in življenjska doba kavitacijske naprave, čeprav to pomembno vpliva na samo uporabnost postopka.

Splošni cilj eCATS je izboljšati temeljno razumevanje, kako mikro- / nano-topografija, kemija in omočljivost površin vplivajo na kavitacijsko dinamiko in kavitacijsko erozijo. To razumevanje nam bo omogočilo uporabo napredne laserske obdelave za nadzor kavitacijske dinamike. Pričakujemo, da bodo rezultati eCATS omogočili ustvarjanje 3D površin, ki vodijo do ekstremnih kavitacijskih pogojev, hkrati pa ščitijo površino pred kavitacijsko erozijo. To bomo dosegli v treh korakih, kjer bomo preučevali interakcijo med: (i) enim samim kavitacijskim mehurčkom in ravnimi funkcionaliziranimi površinami; (ii) kavitacijskim oblakom in ravne funkcionalizirane površine; (iii) hidrodinamsko kavitacijo in lasersko teksturiranimi 3D vzorci. V zadnjem koraku se rezultati prejšnjih dveh korakov združijo, kjer bomo našli optimalne tehnike funkcionalizacije površin za nadzor kavitacijskih lastnosti, da se kavitacija bodisi intenzivira ali ublaži njene posledice.

Projekt se bo izvajal v okviru šestih delovnih sklopov (DS): (i) vodenje projekta (DS1); (ii) raziskovalno-razvojne dejavnosti (DS2-DS5); in (iii) razširjanje in izraba rezultatov (DS6).

DS1: Vodenje projekta (M1-M36)

• N1.1 Poročanje o napredku in stroških (M1-M36)
• N1.2 Nadzor in upravljanje kakovosti (M1-M36)

DS2: Razvoj funkcionaliziranih površin (M1-M18)

• N2.1 Izbira strategij za lasersko obdelavo (M1-M3)
• N2.2 Lasersko teksturiranje površin (M4-M12)
• N2.3 Sprememba površinske energije (M13-M18)

DS3: Interakcija med kavitacijo in ravnimi površinami (M8-M27)

• N3.1 Interakcija posameznega mehurčka (M8-M14)
• N3.2 Interakcija oblaka mehurčkov (M15-M21)
• N3.3 Raziskava kavitacijske erozije (M21-M27)

DS4: Hidrodinamska kavitacija na 3D površinah (M25-M36)

• N4.1 Razvoj laserskega sistema za 3D obdelavo (M25-M27)
• N4.2 Karakterizacija kavitacije v vidnem spektru (M28-M32)
• N4.3 Raziskava kavitacijske erozije (M28-M32)
• N4.4 Slikanje z rentgenskimi žarki (M30-M36)

DS5: Karakterizacija (podporna dejavnost; M4-M32)

• N5.1 Površinska topografija (podporna dejavnost; M4-M27)
• N5.2 Površinska kemija in omočljivost (podporna dejavnost; M4-M27)
• N5.3 Površinska erozija (podporna dejavnost; M21-M32)

DS6: Razširjanje in izraba rezultatov (M1-M36)

• N6.1 Predstavitev rezultatov projekta splošni javnosti (M1-M36)
• N6.2 Predstavitev rezultatov projekta znanstveni javnosti (M1-M36)
• N6.3 Predstavitev rezultatov projekta strokovni javnosti (M24-M36)

• MALEKI, Mohammadamin, TALABAZAR, Farzad Rokhsar, DAVOUDIAN, Salar Heyat, DULAR, Matevž, KOŞAR, Ali, PETKOVŠEK, Martin, ŠMID, Alenka, ZUPANC, Mojca, GHORBANI, Morteza. The formation of hydroxyl radicals during hydrodynamic cavitation in microfluidic reactors using salicylic acid dosimetry. Chemical engineering journal. [Online ed.]. 2025, vol. , no. , [article no.] 161976, 42 str., ilustr. ISSN 1873-3212. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725028025, DOI: 10.1016/j.cej.2025.161976. [COBISS.SI-ID 230634243]
• BOČEK, Žan, PETKOVŠEK, Martin, CLARK, Samuel J., FEZZAA, Kamel, DULAR, Matevž. Kelvin-Helmholtz instability as one of the key features for fast and efficient emulsification by hydrodynamic cavitation. Ultrasonics sonochemistry. Aug. 2024, vol. 108, [article no.] 106970, str. 1-9, ilustr. ISSN 1350-4177. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417724002189, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2024.106970. [COBISS.SI-ID 201951491]
• ZUPANC, Andraž, PETKOVŠEK, Martin, ZDOVC, Blaž, ŽAGAR, Ema, ZUPANC, Mojca. Degradation of hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) by acoustic and hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. [Online ed.]. Oct. 2024, vol. 109, art. 107020, str. 1-9, ilustr. ISSN 1873-2828. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417724002682, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2024.107020. [COBISS.SI-ID 204078851]
• ZUPANC, Mojca, PRIMC, Gregor, DULAR, Matevž, PETKOVŠEK, Martin, ROŠKAR, Robert, ZAPLOTNIK, Rok, TRONTELJ, Jurij. Proof-of-concept for removing micropollutants through a combination of sub-atmospheric-pressure non-thermal plasma and hydrodynamic (super)cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. [Online ed.]. Dec. 2024, vol. 111, [art. no.] 107110, str. 1-12, ilustr. ISSN 1873-2828. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417724003584, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2024.107110. [COBISS.SI-ID 212810499]
• ZUPANC, Mojca, BRAJER HUMAR, Barbara, DULAR, Matevž, GOSTIŠA, Jurij, HOČEVAR, Marko, KOLBL REPINC, Sabina, KRZYK, Mario, NOVAK, Lovrenc, ORTAR, Jernej, PANDUR, Žiga, STRES, Blaž, PETKOVŠEK, Martin. The use of hydrodynamic cavitation for waste-to-energy approach to enhance methane production from waste activated sludge. Journal of environmental management. Dec. 2023, vol. 347, str. 1-11, ilustr. ISSN 0301-4797. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479723018625, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.119074. [COBISS.SI-ID 167876867]
• SENEGAČNIK, Matej, GREGORČIČ, Peter. Diffraction-driven laser surface nanostructuring : towards patterning with curved periodic surface structures = Matej Senegačnik, Peter Gregorčič. Applied Surface Science. [Print ed.]. Feb. 2023, vol. 610, str. 1-10, ilustr. ISSN 0169-4332. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222030148, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.155486. [COBISS.SI-ID 129205507]
• PETKOVŠEK, Martin, KRŽAN, Andrej, ŠMID, Alenka, ŽAGAR, Ema, ZUPANC, Mojca. Degradation of water soluble poly(vinyl alcohol) with acoustic and hydrodynamic cavitation : laying foundations for microplastics. npj Clean water. 2023, vol. 6, [art. no.] 35, str. 1-11, ilustr. ISSN 2059-7037. https://www.nature.com/articles/s41545-023-00248-8, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1038/s41545-023-00248-8. [COBISS.SI-ID 150832899]
• ZUPANC, Mojca, ZEVNIK, Jure, FILIPIĆ, Arijana, GUTIÉRREZ-AGUIRRE, Ion, JEŠELNIK, Meta, KOŠIR, Tamara, ORTAR, Jernej, DULAR, Matevž, PETKOVŠEK, Martin. Inactivation of the enveloped virus phi6 with hydrodynamic cavitation. Ultrasonics sonochemistry. May 2023, vol. 95, str. 1-8, ilustr. ISSN 1350-4177. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417723001128, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106400. [COBISS.SI-ID 148619523]
• BOČEK, Žan, PETKOVŠEK, Martin, CLARK, Samuel J., FEZZAA, Kamel, DULAR, Matevž. Dynamics of oil–water interface at the beginning of the ultrasonic emulsification process. Ultrasonics sonochemistry. Dec. 2023, vol. 101, str. 1-20, ilustr. ISSN 1350-4177. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417723003693, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106657. [COBISS.SI-ID 170581251]
• KOZMUS, Gregor, ZEVNIK, Jure, HOČEVAR, Marko, DULAR, Matevž, PETKOVŠEK, Martin. Characterization of cavitation under ultrasonic horn tip : proposition of an acoustic cavitation parameter. Ultrasonics sonochemistry. 2022, vol. 89, str. 1-10, ilustr. ISSN 1350-4177. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417722002553, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106159. [COBISS.SI-ID 121319171]

• PETKOVŠEK, Martin, ROSSELLÓ, Juan Manuel, HOČEVAR, Matej, GREGORČIČ, Peter. Cavitation bubble manipulation by laser-functionalized surfaces : [prispevek na] 12th International Cavitation Symposium – CAV2024, 2-5 June 2024, Chania, Greece. [COBISS.SI-ID 228854275]
• PETKOVŠEK, Martin, ROSSELLÓ, Juan Manuel, HOČEVAR, Matej, GREGORČIČ, Peter. Laser-functionalized surfaces for cavitation bubble manipulation. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024. Ljubljana: Zveza strojnih inženirjev Slovenije – ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 88-89, ilustr. Svet strojništva, letn. 13, št. 1/6. ISSN 1855-6493. https://www.zveza-zsis.si/2024/11/30/svet-strojnistva-akademija-strojnistva-2024-december-2024/, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.62020/svet.str.as2024023. [COBISS.SI-ID 222224131]
• GREGORČIČ, Peter, SENEGAČNIK, Matej. Laser surface patterning with curved periodic nanostructures using cavitation bubbles : invited paper. V: Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVIII : 29 January – 1 February 2024, San Francisco, California, United States : conference 12873. [Bellingham]: SPIE, 2024. Str. [1]. https://spie.org/photonics-west/presentation/Laser-surface-patterning-with-curved-periodic-nanostructures-using-cavitation-bubbles/12873-15#_=_. [COBISS.SI-ID 184176131]
• SENEGAČNIK, Matej, KUNIMOTO, Kohei, YAMAGUCHI, Satoshi, KIMURA, Koki, SAKKA, Tetsuo, GREGORČIČ, Peter. Primary and secondary cavitation effects induced by optical breakdown near sharp-edge geometry. V: COLA 2021/2022 : 16th International Conference on Laser Ablation, Hybrid format, Kunibiki Messe in Matsue, Japan & online 24 – 29 April, 2022 : conference program and abstracts. [S. l.: s. n., 2022]. Str. 52, ilustr. [COBISS.SI-ID 107173123]
• SENEGAČNIK, Matej, GREGORČIČ, Peter. Investigation of lipss structures fabricated in different surrounding media using focused-ion beam etching. V: LIPSS : book of abstracts : 10th International Workshop, Orléans, Val de Loire, France, 21-23 September 2022. [S. l.: s. n.], 2022. Str. 29, ilustr. https://lipss10.sciencesconf.org/data/Book_LIPSS10_Online.pdf. [COBISS.SI-ID 126867203]
•