A maioria das pessoas toma a água fervente como certa. Para o professor associado Matteo Bucci, descobrir a física por trás da fervura tem sido uma jornada de uma década cheia de desafios inesperados e novos insights.

O fenômeno aparentemente simples é extremamente difícil de estudar em sistemas complexos como reatores nucleares, e ainda assim ele está no cerne de uma ampla gama de processos industriais importantes. Desvendar seus segredos poderia, portanto, permitir avanços na produção eficiente de energia, resfriamento eletrônico, dessalinização de água, diagnósticos médicos e muito mais.

“A ebulição é importante para aplicações muito além da nuclear”, diz Bucci, que ganhou estabilidade no MIT em julho. “A ebulição é usada em 80% das usinas de energia que produzem eletricidade. Minha pesquisa tem implicações para propulsão espacial, armazenamento de energia, eletrônica e a tarefa cada vez mais importante de resfriar computadores.”

O laboratório de Bucci desenvolveu novas técnicas experimentais para lançar luz sobre uma ampla gama de fenômenos de ebulição e transferência de calor que têm limitado projetos de energia por décadas. O principal deles é um problema causado por bolhas se formando tão rapidamente que criam uma faixa de vapor em uma superfície que impede mais transferência de calor. Em 2023, Bucci e colaboradores desenvolveram um princípio unificador que governa o problema, conhecido como crise de ebulição, que poderia permitir reatores nucleares mais eficientes e evitar falhas catastróficas.

Para Bucci, cada fase de progresso traz novas possibilidades — e novas perguntas a serem respondidas.

“Qual é o melhor artigo?”, pergunta Bucci. “O melhor artigo é o próximo. Acho que Alfred Hitchcock costumava dizer que não importa o quão bom foi seu último filme. Se o próximo for ruim, as pessoas não vão se lembrar dele. Eu sempre digo aos meus alunos que nosso próximo artigo deve ser sempre melhor que o anterior. É uma jornada contínua de melhoria.”

A vila italiana onde Bucci cresceu tinha uma população de cerca de 1.000 habitantes durante sua infância. Ele adquiriu habilidades mecânicas trabalhando na oficina mecânica de seu pai e desmontando e remontando aparelhos como máquinas de lavar e condicionadores de ar para ver o que havia dentro. Ele também adquiriu uma paixão pelo ciclismo, competindo no esporte até frequentar a Universidade de Pisa para estudos de graduação e pós-graduação.

Na faculdade, Bucci era fascinado pela matéria e pelas origens da vida, mas também gostava de construir coisas, então, quando chegou a hora de escolher entre física e engenharia, ele decidiu que a engenharia nuclear seria um bom meio-termo.

“Tenho paixão por construção e por entender como as coisas são feitas”, diz Bucci. “A engenharia nuclear era uma escolha muito improvável, mas óbvia. Era improvável porque na Itália, a energia nuclear já estava fora do cenário energético, então éramos muito poucos. Ao mesmo tempo, havia uma combinação de desafios intelectuais e práticos, que é o que eu gosto.”

Para seu doutorado, Bucci foi para a França, onde conheceu sua esposa, e foi trabalhar em um laboratório nacional francês. Um dia, seu chefe de departamento pediu que ele trabalhasse em um problema de segurança de reator nuclear conhecido como ebulição transiente. Para resolvê-lo, ele queria usar um método para fazer medições pioneiro do professor do MIT Jacopo Buongiorno, então ele recebeu uma bolsa para se tornar um cientista visitante no MIT em 2013. Ele estuda ebulição no MIT desde então.

Hoje, o laboratório de Bucci está desenvolvendo novas técnicas de diagnóstico para estudar ebulição e transferência de calor, juntamente com novos materiais e revestimentos que podem tornar a transferência de calor mais eficiente. O trabalho deu aos pesquisadores uma visão sem precedentes das condições dentro de um reator nuclear.

“O diagnóstico que desenvolvemos pode coletar o equivalente a 20 anos de trabalho experimental em um experimento de um dia”, diz Bucci.

Esses dados, por sua vez, levaram Bucci a um modelo notavelmente simples que descreve a crise de ebulição.

Outra área de pesquisa particularmente impactante para Bucci é o resfriamento por imersão em duas fases, um processo em que peças quentes do servidor levam o líquido à fervura e, então, o vapor resultante condensa em um trocador de calor acima para criar um ciclo constante e passivo de resfriamento.

“Ele mantém os chips frios com desperdício mínimo de energia, reduzindo significativamente o consumo de eletricidade e as emissões de dióxido de carbono dos data centers”, explica Bucci. “Os data centers emitem tanto CO2 quanto toda a indústria da aviação. Até 2040, eles serão responsáveis ??por mais de 10% das emissões.”

Bucci diz que trabalhar com alunos é a parte mais gratificante do seu trabalho. “Eles têm uma paixão e competência tão grandes. É motivador trabalhar com pessoas que têm a mesma paixão que você.”

“Meus alunos não têm medo de explorar novas ideias”, acrescenta Bucci. “Eles quase nunca param diante de um obstáculo — às vezes, a ponto de você ter que desacelerá-los e colocá-los de volta nos trilhos.”

Ao comandar o Laboratório Vermelho no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear, Bucci tenta dar aos alunos independência e apoio.

“Não estamos educando estudantes, estamos educando futuros pesquisadores”, diz Bucci. “Acho que a parte mais importante do nosso trabalho é não apenas fornecer as ferramentas, mas também dar a confiança e a atitude de autoiniciação para consertar problemas. Podem ser problemas de negócios, problemas com experimentos, problemas com seus colegas de laboratório.”

Alguns dos experimentos mais singulares realizados pelos alunos de Bucci exigem que eles coletem medidas enquanto estão em queda livre em um avião para atingir a gravidade zero.

“A pesquisa espacial é a grande fantasia de todas as crianças”, diz Bucci, que se junta aos alunos nos experimentos cerca de duas vezes por ano. “É uma pesquisa muito divertida e inspiradora para os alunos. A gravidade zero dá a você uma nova perspectiva sobre a vida.”

Bucci também está animado em incorporar inteligência artificial em seu campo. Em 2023, ele foi corecipiente de um projeto de iniciativa de pesquisa multiuniversitária (MURI) em ciência térmica dedicado exclusivamente ao aprendizado de máquina. Em um aceno à promessa que a IA representa em seu campo, Bucci também fundou recentemente um periódico chamado AI Thermal Fluids para apresentar avanços de pesquisa impulsionados por IA.

“Nossa comunidade não tem um lar para pessoas que querem desenvolver técnicas de aprendizado de máquina”, diz Bucci. “Queríamos criar uma avenida para que pessoas em ciência da computação e ciência térmica trabalhassem juntas para progredir. Acho que realmente precisamos trazer cientistas da computação para nossa comunidade para acelerar esse processo.”

Bucci também acredita que a IA pode ser usada para processar enormes quantidades de dados coletados usando as novas técnicas experimentais que ele desenvolveu, bem como para modelar fenômenos que os pesquisadores ainda não podem estudar.

“É possível que a IA nos dê a oportunidade de entender coisas que não podem ser observadas, ou pelo menos nos guie no escuro enquanto tentamos encontrar as causas raízes de muitos problemas”, diz Bucci.