Ablacja - Ablation

Ablacja w pobliżu elektrody w palniku błyskowym . Wysokoenergetyczny łuk elektryczny powoli eroduje szkło, pozostawiając matowy wygląd.

Ablacja ( łac . ablatio  — usuwanie) to usunięcie lub zniszczenie czegoś z obiektu poprzez odparowanie , odpryskiwanie, procesy erozyjne lub w inny sposób. Przykłady materiałów ablacyjnych są opisane poniżej i obejmują materiały statków kosmicznych do wznoszenia się i powrotu do atmosfery , lód i śnieg w glacjologii , tkanki biologiczne w medycynie i materiały do biernej ochrony przeciwpożarowej .

Sztuczna inteligencja

W sztucznej inteligencji (AI), zwłaszcza uczeniu maszynowym , ablacja polega na usunięciu komponentu systemu AI. Termin ten jest analogiczny do biologii: usuwanie składników organizmu.

Biologia

Ablacja biologiczna to usunięcie struktury biologicznej lub funkcjonalności.

Ablacja genetyczna to inny termin na wyciszanie genów , w którym ekspresja genów zostaje zniesiona poprzez zmianę lub usunięcie informacji o sekwencji genetycznej . W ablacji komórek, pojedyncze komórki w populacji lub hodowli są niszczone lub usuwane. Oba mogą być używane jako narzędzia eksperymentalne, jak w eksperymentach utraty funkcji .

Elektroablacja

Elektroablacja to proces, który usuwa materiał z metalowego przedmiotu w celu zmniejszenia chropowatości powierzchni .

Elektroablacja przebija powierzchnie tlenków o wysokiej rezystancji, takie jak te znajdujące się na tytanie i innych egzotycznych metalach i stopach, bez topienia znajdującego się pod spodem nieutlenionego metalu lub stopu. Pozwala to na bardzo szybkie wykończenie powierzchni

Proces jest w stanie zapewnić wykończenie powierzchni dla szerokiej gamy egzotycznych i szeroko stosowanych metali i stopów, w tym: tytanu, stali nierdzewnej, niobu, chromo-kobaltu, Inconelu , aluminium oraz szeregu powszechnie dostępnych stali i stopów.

Elektroablacja jest bardzo skuteczna w osiąganiu wysokiego poziomu wykończenia powierzchni w otworach, zagłębieniach oraz ukrytych lub wewnętrznych powierzchniach metalowych przedmiotów obrabianych (części).

Proces ten ma szczególne zastosowanie w przypadku komponentów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego, takich jak metale drukowane w 3D. Te komponenty są zwykle produkowane z poziomami chropowatości znacznie powyżej 5-20 mikronów. Elektroablację można zastosować do szybkiego zmniejszenia chropowatości powierzchni do mniej niż 0,8 mikrona, co pozwala na wykorzystanie procesu końcowego do wykańczania powierzchni w produkcji seryjnej.

Glacjologia

W glacjologii i meteorologii ablacja — przeciwieństwo akumulacji — odnosi się do wszystkich procesów, które usuwają śnieg, lód lub wodę z lodowca lub pola śnieżnego. Ablacja odnosi się do topnienia śniegu lub lodu spływającego z lodowca, parowania , sublimacji , cielenia lub erozyjnego usuwania śniegu przez wiatr. Temperatura powietrza jest zazwyczaj dominującą kontrolą ablacji, a opady stanowią drugorzędną kontrolę. W klimacie umiarkowanym w sezonie ablacji szybkość ablacji wynosi zwykle około 2 mm/h. Tam, gdzie promieniowanie słoneczne jest dominującą przyczyną ablacji śniegu (np. gdy temperatura powietrza jest niska pod czystym niebem), na powierzchni śniegu mogą rozwinąć się charakterystyczne tekstury ablacji, takie jak słońce lub penitenty .

Ablacja może odnosić się albo do procesów usuwania lodu i śniegu, albo do ilości usuwanego lodu i śniegu.

Wykazano również, że lodowce pokryte gruzem mają duży wpływ na proces ablacji. Na szczycie lodowców znajduje się cienka warstwa gruzu, która intensyfikuje proces ablacji pod lodem. Pokryte gruzami części lodowca, które doświadczają ablacji, są podzielone na trzy kategorie, które obejmują klify lodowe, stawy i gruz. Te trzy sekcje pozwalają naukowcom zmierzyć i obliczyć ciepło trawione przez obszar pokryty szczątkami. Obliczenia są uzależnione od powierzchni i ilości pochłoniętego ciepła netto w odniesieniu do całych stref pokrytych gruzem. Tego typu obliczenia są wykonywane dla różnych lodowców, aby zrozumieć i przeanalizować przyszłe wzorce topnienia.

Morena (rumowisko lodowcowe) jest przemieszczana przez naturalne procesy, które pozwalają na przemieszczanie się w dół zbocza materiałów na korpusie lodowca. Należy zauważyć, że jeśli nachylenie lodowca jest zbyt wysokie, szczątki będą dalej przemieszczać się wzdłuż lodowca w inne miejsce. Rozmiary i położenie lodowców różnią się na całym świecie, więc w zależności od klimatu i geografii fizycznej odmiany gruzu mogą się różnić. Rozmiar i wielkość szczątków zależy od obszaru lodowca i może wahać się od fragmentów wielkości pyłu po bloki wielkości domu.

Przeprowadzono wiele eksperymentów, aby zademonstrować wpływ gruzu na powierzchnię lodowców. Yoshiyuki Fujii, profesor z National Institute of Polar Research, zaprojektował eksperyment, który wykazał, że tempo ablacji zostało przyspieszone pod cienką warstwą gruzu i opóźnione pod grubą warstwą w porównaniu z naturalną powierzchnią śniegu. Nauka ta jest istotna ze względu na znaczenie długoterminowej dostępności zasobów wodnych i oceny reakcji lodowców na zmiany klimatyczne . Dostępność zasobów naturalnych jest głównym motorem badań prowadzonych w odniesieniu do procesu ablacji i ogólnych badań lodowców.

Ablacja laserowa

Nd: YAG laser wierci dziurę w bloku nitrylu . Intensywny wybuch promieniowania podczerwonego usuwa wysoce absorbującą gumę, uwalniając erupcję plazmy .

Na ablację laserową duży wpływ ma rodzaj materiału i jego zdolność do pochłaniania energii, dlatego długość fali lasera ablacyjnego powinna mieć minimalną głębokość absorpcji. Chociaż te lasery mogą uśredniać niską moc, mogą oferować szczytową intensywność i płynność wynikającą z:

podczas gdy moc szczytowa wynosi

Ablacja powierzchni rogówki w kilku rodzajach chirurgii refrakcyjnej oka jest obecnie powszechna, przy użyciu systemu lasera excimerowego ( LASIK i LASEK ). Ponieważ rogówka nie odrasta, laser jest używany do przemodelowania właściwości refrakcji rogówki w celu skorygowania błędów refrakcji , takich jak astygmatyzm , krótkowzroczność i nadwzroczność . Ablacja laserowa jest również stosowana do usuwania części ściany macicy u kobiet z problemami menstruacji i adenomiozy w procesie zwanym ablacją endometrium .

Niedawno naukowcy zademonstrowali skuteczną technikę ablacji guzów podpowierzchniowych z minimalnym uszkodzeniem termicznym otaczającej zdrowej tkanki, przy użyciu skupionej wiązki laserowej ze źródła lasera diodowego o ultrakrótkim impulsie.

Powłoki powierzchni morskich

Farby przeciwporostowe i inne pokrewne powłoki są rutynowo stosowane w celu zapobiegania gromadzeniu się mikroorganizmów i innych zwierząt, takich jak pąkle na powierzchniach dennych kadłubów statków morskich rekreacyjnych, handlowych i wojskowych. W tym celu często stosuje się farby ablacyjne, aby zapobiec rozcieńczeniu lub dezaktywacji środka przeciwporostowego. Z biegiem czasu farba będzie powoli rozkładać się w wodzie, odsłaniając na powierzchni świeże związki przeciwporostowe. Inżynieria środków przeciwporostowych i szybkość ablacji mogą zapewnić długotrwałą ochronę przed szkodliwymi skutkami biofoulingu.

Medycyna

W medycynie ablacja jest równoznaczna z usunięciem części tkanki biologicznej , zwykle chirurgicznie . Ablacja powierzchniowa skóry ( dermabrazja , zwana również resurfacingiem, ponieważ indukuje regenerację ) może być przeprowadzona za pomocą środków chemicznych (chemoablacja), laserów ( ablacja laserowa ), zamrażania ( krioablacja ) lub elektryczności ( fulguracja ). Jego celem jest usuwanie plam skórnych, starzejącej się skóry , zmarszczek , a tym samym jej odmłodzenie . Ablacja powierzchniowa jest również wykorzystywana w otolaryngologii do kilku rodzajów operacji, takich jak chrapanie . Terapia ablacyjna przy użyciu fal o częstotliwości radiowej na sercu jest stosowana w leczeniu różnych zaburzeń rytmu serca, takich jak częstoskurcz nadkomorowy , zespół Wolffa-Parkinsona-White'a (WPW), częstoskurcz komorowy , a ostatnio także w leczeniu migotania przedsionków . Termin ten jest często używany w kontekście ablacji laserowej , procesu, w którym laser rozpuszcza wiązania molekularne materiału . Aby laser mógł dokonywać ablacji tkanek, gęstość mocy lub płynność musi być wysoka, w przeciwnym razie dochodzi do termokoagulacji, czyli po prostu termicznego waporyzacji tkanek.

Rotoablacja to rodzaj oczyszczania tętnic, który polega na wprowadzeniu do chorej tętnicy małego, zakończonego diamentem urządzenia przypominającego wiertło w celu usunięcia złogów tłuszczu lub płytki nazębnej. Zabieg stosowany jest w leczeniu choroby wieńcowej serca w celu przywrócenia przepływu krwi.

Ablacja falami radiowymi (RFA) to metoda usuwania nieprawidłowej tkanki z wnętrza ciała za pomocą minimalnie inwazyjnych procedur.

Ablacja mikrofalowa (MWA) jest podobna do RFA, ale przy wyższych częstotliwościach promieniowania elektromagnetycznego.

Ablacja ultradźwiękami o wysokiej intensywności (HIFU) usuwa tkankę z organizmu w sposób nieinwazyjny.

Ablacja szpiku kostnego to proces, w którym komórki ludzkiego szpiku kostnego są eliminowane w ramach przygotowań do przeszczepu szpiku kostnego . Odbywa się to za pomocą chemioterapii o wysokiej intensywności i napromieniania całego ciała . W związku z tym nie ma to nic wspólnego z technikami waporyzacji opisanymi w dalszej części tego artykułu.

Ablacja tkanki mózgowej jest stosowana w leczeniu pewnych zaburzeń neurologicznych , zwłaszcza choroby Parkinsona , a czasami także zaburzeń psychicznych .

Ostatnio niektórzy badacze odnotowali pomyślne wyniki ablacji genetycznej. W szczególności ablacja genetyczna jest potencjalnie znacznie wydajniejszą metodą usuwania niechcianych komórek, takich jak komórki nowotworowe , ponieważ można wygenerować dużą liczbę zwierząt pozbawionych określonych komórek. Linie poddane ablacji genetycznej mogą być utrzymywane przez dłuższy czas i udostępniane w środowisku naukowym. Naukowcy z Columbia University donoszą o rekonstytuowanych kaspazach połączonych z C. elegans i ludzi, które zachowują wysoki stopień specyficzności docelowej. Opisane techniki ablacji genetycznej mogą okazać się przydatne w walce z rakiem.

Bierna ochrona przeciwpożarowa

Produkty ogniochronne i ognioodporne mogą mieć charakter ablacyjny. Może to oznaczać materiały endotermiczne lub po prostu materiały, które mają charakter protektorowy i z czasem zostają „zużyte” pod wpływem ognia , takie jak silikonowe produkty ogniochronne. Po wystarczającym czasie w warunkach ognia lub wysokiej temperatury produkty te ulegają zwęgleniu, kruszeniu i znikaniu. Pomysł polega na umieszczeniu wystarczającej ilości tego materiału na drodze pożaru, aby można było utrzymać poziom oceny ognioodporności , jak wykazano w teście ogniowym . Materiały ablacyjne mają zwykle duże stężenie materii organicznej, która jest redukowana przez ogień do popiołu. W przypadku silikonu guma organiczna otacza bardzo drobno rozdrobniony pył krzemionkowy (do 380 m² łącznej powierzchni wszystkich cząstek pyłu na gram tego pyłu). Kiedy guma organiczna jest wystawiona na działanie ognia, spala się na popiół i pozostawia po sobie pył krzemionkowy, z którym powstał produkt.

Ablacja dysku protoplanetarnego

Dyski protoplanetarne to obracające się wokółgwiazdowe dyski gęstego gazu i pyłu otaczające młode, nowo powstałe gwiazdy. Krótko po uformowaniu się gwiazdy , gwiazdy często pozostawiły po sobie otaczającą materię, która wciąż jest z nimi związana grawitacyjnie, tworząc prymitywne dyski krążące wokół równika gwiazdy – nie różniące się zbytnio od pierścieni Saturna . Dzieje się tak, ponieważ zmniejszenie promienia materii protogwiazdowej podczas formowania zwiększa moment pędu , co oznacza, że ​​pozostała materia zostaje skręcona w spłaszczony dysk okołogwiazdowy wokół gwiazdy. Ten dysk okołogwiazdowy może ostatecznie dojrzeć do tego, co nazywamy dyskiem protoplanetarnym: dyskiem gazu, pyłu, lodu i innych materiałów, z których mogą powstawać układy planetarne . W tych dyskach orbitująca materia zaczyna gromadzić się w chłodniejszej płaszczyźnie środkowej dysku z ziaren pyłu i lodu sklejających się ze sobą. Te małe narośla rozrastają się od kamyków przez skały do ​​wczesnych planet potomnych , zwanych planetozymalami , następnie protoplanetami i ostatecznie pełnymi planetami .

Ponieważ uważa się, że masywne gwiazdy mogą odgrywać rolę w aktywnym wyzwalaniu formowania się gwiazd (poprzez między innymi wprowadzanie niestabilności grawitacyjnej), prawdopodobne jest, że młode, mniejsze gwiazdy z dyskami mogą żyć stosunkowo blisko starszych, masywniejszych gwiazd. Zostało to już potwierdzone przez obserwacje, które mają miejsce w niektórych gromadach , np. w gromadach Trapez . Ponieważ masywne gwiazdy mają tendencję do zapadania się przez supernowe pod koniec swojego życia, badania mają obecnie na celu zbadanie, jaką rolę odegrałaby fala uderzeniowa takiej eksplozji i wynikająca z niej pozostałość po supernowej (SNR), gdyby nastąpiła na linii ognia protoplanetarnej. dysk. Zgodnie z symulacjami modelowanymi komputerowo, SNR uderzający w dysk protoplanetarny spowodowałby znaczną ablację dysku, a ta ablacja usunęłaby z dysku znaczną ilość materiału protoplanetarnego – ale niekoniecznie całkowicie zniszczyłaby dysk. Jest to ważny punkt, ponieważ dysk, który przetrwa taką interakcję z wystarczającą ilością materiału, aby utworzyć układ planetarny, może odziedziczyć zmienioną chemię dysku po SNR, co może mieć wpływ na układy planetarne, które później się uformują.

Lot w kosmos

W projektowaniu statków kosmicznych ablacja jest wykorzystywana zarówno do chłodzenia, jak i ochrony części mechanicznych i/lub ładunków, które w przeciwnym razie zostałyby uszkodzone przez ekstremalnie wysokie temperatury. Dwa główne zastosowania to osłony termiczne dla statków kosmicznych wchodzących w atmosferę planety z kosmosu oraz chłodzenie dysz silników rakietowych . Przykłady obejmują moduł poleceń Apollo że zabezpieczony astronautów od ciepła z reentry atmosferycznym i Kestrel drugiego stopnia silnika rakietowego przeznaczony wyłącznie do zastosowania w środowisku próżni przestrzeni , ponieważ nie konwekcyjnego jest możliwe.

Zasadniczo materiał ablacyjny jest zaprojektowany w taki sposób, że zamiast ciepła przenoszonego do konstrukcji statku kosmicznego, tylko zewnętrzna powierzchnia materiału przenosi większość efektu grzewczego. Zewnętrzna powierzchnia zwęgla się i wypala – ale dość powoli, tylko stopniowo odsłaniając pod spodem nowy świeży materiał ochronny. Ciepło jest odprowadzane ze statku kosmicznego przez gazy wytwarzane w procesie ablacji i nigdy nie przenika przez materiał powierzchniowy, dzięki czemu chronione przez nie struktury metalowe i inne wrażliwe pozostają w bezpiecznej temperaturze. Gdy powierzchnia płonie i rozprasza się w przestrzeni, podczas gdy pozostały stały materiał nadal izoluje statek od ciągłego ciepła i przegrzanych gazów. Oblicza się, że grubość warstwy ablacyjnej jest wystarczająca do przetrwania ciepła, jakie napotka podczas swojej misji.

Istnieje cała gałąź badań lotów kosmicznych, obejmująca poszukiwanie nowych materiałów ognioodpornych , aby osiągnąć najlepszą wydajność ablacyjną; ta funkcja ma kluczowe znaczenie dla ochrony pasażerów statku kosmicznego i ładunku przed nadmiernym obciążeniem cieplnym. Ta sama technologia jest wykorzystywana w niektórych zastosowaniach pasywnej ochrony przeciwpożarowej , w niektórych przypadkach przez tych samych dostawców, którzy oferują różne wersje tych produktów ognioodpornych , niektóre dla lotnictwa, a niektóre dla strukturalnej ochrony przeciwpożarowej .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki