Физика

Nov 09, 2023

Холодильные системы, в которых используются материалы, которые охлаждаются в ответ на приложенную электрическую, магнитную или механическую силу, предлагают экологически чистую альтернативу системам с утечкой парниковых газов, которые встречаются в большинстве домов и фабрик (см. Тема: В погоне за охлаждением 21 века). Теперь исследователи продемонстрировали экономичную масштабируемую версию одной из этих так называемых систем «калорического охлаждения» [1]. Их подход, в котором используется материал, реагирующий на механическую силу, превосходит рекорды производительности, установленные методами, основанными на магнитных полях. Исследователи говорят, что их технология также намного дешевле в производстве и эксплуатации и может быть готова к коммерческому использованию в течение года.

Системы магнитного охлаждения впервые получили известность в 1998 году, когда была продемонстрирована система, работающая при температуре, близкой к комнатной, которая сохраняла свое содержимое холодным в течение 1500 часов [2]. В этой системе к магнитокалорическому материалу прикладывалось магнитное поле, что приводило к повышению температуры, поскольку колебания атомов компенсировали потерю энтропии, возникающей при выравнивании неспаренных спинов в материале. Выключение поля обратило это увеличение вспять, позволив материалу действовать как хладагент, который можно было бы использовать в охлаждающих змеевиках бытового холодильника. Но для создания магнитокалорического эффекта необходимы сильные (>1 Тесла) магнитные поля, которые могут обеспечить только дорогие постоянные магниты, содержащие редкоземельные сплавы.

Альтернативный подход заключается в использовании эластокалорического материала. Такой материал подвергается энтропийному изменению температуры при воздействии механической силы, достаточно большой, чтобы частично изменить фазу материала. В 2012 году Ичиро Такеучи из Университета Мэриленда обнаружил, что при растяжении коммерчески доступная проволока из никеля и титана (NiTi) претерпевает такое изменение, причем повышение температуры настолько велико, что его можно ощутить рукой. Позже он обнаружил, что при сжатии никель-титановых трубок происходит снижение температуры, а затем использовал этот эффект в 2016 году для разработки первой системы электрокалорического охлаждения. «Мы начали создавать системы [маломощного охлаждения] с использованием никель-титановых трубок в режиме сжатия около десяти лет назад», — говорит Такеучи.

Теперь команда под руководством Такеучи и Райнхарда Радермахера из Университета Мэриленда выдвинула эластокалорическое охлаждение на передний план в гонке за охлаждением без парниковых газов. Между их демонстрацией 2016 года и новой версией, которая улучшила рекуперацию жидкости, уменьшила потери тепла из-за трения и обеспечила более плотные пучки трубок, стояло несколько инженерных проблем. В новом устройстве вода — жидкий теплоноситель — протекает через два пучка имеющихся в продаже никель-титановых трубок. Два пакета соединяются посредством привода, который прикладывает нагрузку к одному пакету и разгружает другой, тем самым создавая циклы сжатия, которые приводят в действие охлаждение. Система может работать в двух разных режимах, в зависимости от того, сколько воды проходит через систему за цикл. Один режим оптимизирует мощность охлаждения, другой — температурный диапазон. Команда продемонстрировала, что может охладить систему на 22,5 К по сравнению с 4,7 К в их схеме 2016 года.

Тем не менее, расчеты команды показывают, что общая эффективность системы может быть повышена в 6 раз за счет использования более эффективных приводов. Кроме того, исследователи считают, что они могли бы повысить эффективность, заменив NiTi на известный материал на основе меди, который демонстрирует аналогичное упругокалорическое изменение температуры при меньшем напряжении. Такие материалы в настоящее время коммерчески недоступны, но Такеучи говорит, что он рад возможности их применения в системах охлаждения с низким уровнем нагрузки.

Данные Такеучи и его команды «очень впечатляют», говорит Килиан Бартоломе, который исследует преобразователи тепловой энергии в Институте методов физических измерений Фраунгофера в Германии. Он отмечает, что почти во всех продемонстрированных эластокалорических системах используется NiTi, который не был произведен и не оптимизирован для использования в холодильных устройствах, а это означает, что все еще существует «большой потенциал» для повышения производительности систем. Такеучи верит, что он и его коллеги смогут улучшить производительность своей системы настолько, чтобы сделать технологию коммерчески жизнеспособной в течение года. Первое применение, которое он предполагает: компактный холодильник для вина.