Твърдотелен охладител превръща топлината в студ

Екип от Карлсруенския технологичен институт (KIT) в Германия и Университета Цукуба в Япония показа работещ прототип на охладител, в който ролята на електромотора се поема от самата топлина. Устройството се състои от две свръхтънки ленти от сплав с памет на формата: едната се свива при нагряване и произвежда механична работа, а другата превръща тази работа в студ. Резултатите са публикувани в Nature Energy, а KIT обяви работата с прессъобщение в края на август.

Как две ленти вършат работата на компресор

Принципът се нарича еластокалоричен ефект. Когато опънете сплав с памет на формата, тя претърпява обратим фазов преход и се нагрява; когато освободите натоварването, тя се охлажда рязко. Ефектът е известен от години и вече се смята за най-обещаващата алтернатива на компресорния цикъл, но досега всяка еластокалорична машина имаше нужда от електрически задвижван актуатор, който да опъва и отпуска материала.

Точно това е разковничето в новата работа. Актуаторът е лента от титан-никел (TiNi) с дебелина 22 микрометра, която се свива при нагряване. Тя е механично свързана с втора лента — хладилният елемент от титан-никел-желязо (TiNiFe) с дебелина 26,5 микрометра. Свиването на първата лента опъва втората, а при охлаждане на актуатора натоварването пада и хладилната лента произвежда студ.

„Решаващото нововъведение е, че комбинираме две допълващи се функции на сплавите с памет на формата — едната лента превръща топлината в механична работа, а другата превръща тази работа в студ“, обяснява д-р Дзинюан Сю от Института за микроструктурни технологии на KIT. Първи автор на статията е докторантът Йи-Тинг Сяо.

Какво реално постига прототипът

Числата са скромни, но това е очаквано за първа демонстрация. При актуатор, загрят до 86 °C, температурната разлика върху самата хладилна лента достига 12,9 K. На ниво устройство, заедно с топлообменниците и след 20 цикъла, разликата е 4,0 K. Когато топлината идва от външен източник с температура 130 °C, вместо от вградено нагряване, устройството задържа 2,2 K.

Хладилната мощност е 2,09 миливата. Спрямо масата на активния материал обаче това прави 3,32 вата на грам — стойност, която показва, че ограничението е в размера на прототипа, а не в принципа. Екипът вече работи по свързване на много ленти паралелно, за да се вдигне капацитетът.

Защо това има значение

Основният хладилен цикъл в хладилниците, климатиците и центровете за данни не се е променил съществено от над сто години: електрически компресор движи хладилен газ между два топлообменника. Отоплението и охлаждането заедно поглъщат близо половината от световното потребление на енергия, а флуорираните газове в компресорните системи имат потенциал за глобално затопляне стотици до хиляди пъти по-висок от този на въглеродния диоксид. При твърдотелните охладители няма газ, който да изтече, няма компресор и има далеч по-малко подвижни части, които да се износват.

Още по-интересна е втората последица. Понеже машината се задвижва от топлина, а не от ток, тя може да работи с това, което днес се изхвърля: отпадна топлина от процесори, промишлени пещи или слънчеви колектори. Идеята за център за данни, който охлажда част от себе си със собствената си отпадна топлина, звучи привлекателно, но е далеч от инженерна реалност — при разлика от 4 K и мощност от миливата засега говорим за лабораторна демонстрация.

Какво следва

Авторите сами определят работата като изследване на осъществимостта, а не като оптимизирана система. Предстои мащабиране, повишаване на честотата на циклите и проверка колко хиляди пъти издържат лентите, преди умората на материала да ги извади от строя — дълготрайността винаги е била слабото място на еластокалоричните материали. Финансирането идва от фондация „Карл Цайс“ (проект CZS Nexus), фондацията на Баден-Вюртемберг и Hector Fellow Academy. Работата е описана и от New Atlas.

Ако търсите обща картина, тази работа попада в същата вълна от изследвания върху тънки функционални материали, в която са и разклонените наножици за по-ефективни LED лампи: напредъкът идва от геометрията и структурата на материала, а не от нова химия.

Заключение

Прототипът на KIT и Цукуба не охлажда нищо полезно днес — 2 миливата не стигат дори за чаша вода. Стойността му е в доказателството, че еластокалоричен цикъл може да се задвижи директно от топлина, без мотор и без компресор. Ако мащабирането проработи, това отваря път към охлаждане без хладилни газове и без ток — но между лабораторната маса и климатика в хола обикновено има десет и повече години.