Studio del trasporto di materia in mezzi porosi in condizioni rarefatte = Study of the transport of matter in porous media in rarefied conditions

Nel corso degli anni gli studiosi hanno sviluppato tecniche sempre più raffinate per rimuovere l'acqua da un substrato senza apportare modifiche significative alla struttura. Un processo di grande interesse è la liofilizzazione, che permette la sublimazione dell'acqua con valori di pressione e temperatura tali da non rendere più valide le ipotesi del continuo. Di conseguenza è importante studiare il comportamento di un flusso di materia attraverso un substrato poroso in condizioni rarefatte. Al giorno d’oggi sono liofilizzati farmaci, vaccini, sieri, cellule, prodotti termolabili o instabili, e prodotti alimentari. La fluidodinamica computazionale permette la modellazione del processo di spray freeze-drying. Numerosi metodi come quello di Monte Carlo, quello di Boltzmann e quello delle velocità discrete, risolvono l’equazione di Boltzmann che descrive bene i regimi di transizione. L'analisi è condotta alla scala microscopica, in micro-canali, servendosi del metodo di Montecarlo. È stato dimostrato che il flusso di materia diminuisce per numeri di Knudsen più elevati. Di notevole interesse è il comportamento della portata massica normalizzata rispetto alla geometria e alla pressione di ingresso e di uscita al canale, raggiungendo un minimo in regime di transizione detto "il paradosso di Knudsen", a causa dell’apparentemente controintuitivo cambiamento di trend del flusso massico al variare del numero di Knudsen. La viscosità diminuisce all’aumentare della rarefazione. Da questo risultato è stato possibile trovare una relazione di tipo Bosanquet tra la viscosità e il numero di Knudsen. Infine, è stata studiata tortuosità idraulica, essa dipende fortemente dalla velocità, di conseguenza quando non sono più valide le ipotesi del continuo, la tortuosità diminuirà grazie all’assenza di attrito alle pareti. Da questi risultati si evince che la diffusione di Knudsen, solitamente trascurabile, è fondamentale a numeri elevati di Knudsen influenzando significativamente il flusso di materia.