Новая эластокалорическая система охлаждения перспективна для коммерческого использования

Эластокалорическая система охлаждения, поглощающая тепло при снятии напряжения в пучках металлических трубок, была разработана группой исследователей из США и Китая. Схема команды под руководством Ичиро Такеучи из Университета Мэриленда достигла эффективности охлаждения наравне с другими теплотворными материалами и может проложить путь для коммерческого использования в не столь отдаленном будущем.

В традиционных холодильных системах обычно используются газы, которые при попадании в атмосферу вызывают мощный парниковый эффект. В результате исследователи разрабатывают альтернативные технологии твердотельного охлаждения на основе калорийных материалов. Эти материалы претерпевают изменения температуры под воздействием внешних магнитных или электрических полей или в ответ на механическое напряжение или давление. Помимо отказа от вредных химикатов, системы охлаждения на основе калорийных материалов также могут быть более энергоэффективными, чем существующие холодильники.

До сих пор эти исследования были сосредоточены в основном на магнитокалорических материалах, но в последнее время эластокалорические материалы стали еще более многообещающими кандидатами для коммерческого теплового охлаждения. К числу таких материалов относится высокоэластичный и легко изготавливаемый сплав никель-титан (NiTi).

Как команда Такеучи впервые продемонстрировала более десяти лет назад, тонкие проволоки из этого сплава могут выделять большое количество тепла при растяжении и поглощать его, когда напряжение ослабевает. «Около 12 лет назад мы обнаружили, что NiTi экспериментально может отображать большой диапазон температур, который можно почувствовать рукой», — вспоминает Такеучи. «В то время мы продемонстрировали это, добавив натяжение к легкодоступным никель-титановым проволокам. Так мы начали производить эластокалорические устройства».

Затем исследователи приступили к разработке коммерчески полезных приложений для охлаждения. Однако широкомасштабное внедрение эластокалорического охлаждения оказалось серьезной технической проблемой. Основная проблема заключается в том, что повторяющиеся циклы натяжения и отпускания повреждают NiTi проволоки, ограничивая их практический срок службы.

Чтобы решить эту проблему, команда Такеучи разработала новую систему теплообмена, в которой вода прокачивается через пучки никель-титановых трубок. «Нам потребовалось много времени, чтобы преодолеть различные инженерные проблемы, но благодаря нашей недавней демонстрации мы смогли продемонстрировать то, что представляли себе 10 лет назад. Мы используем воду в качестве теплоносителя, делая воду более холодной, чтобы ее можно было использовать для охлаждения или кондиционирования воздуха», — объясняет Такеучи.

Чтобы оценить успех подхода, команда использовала две величины. Первый — это «подаваемая мощность охлаждения», которая описывает скорость отвода тепла. Второй — «диапазон температур», который описывает разницу температур воды на каждом конце системы. «Для этих двух важных показателей нам удалось достичь 260 Вт и 22,5 К соответственно», — говорит Такеучи. Исследователи поочередно максимизировали каждое из этих значений, просто регулируя последовательность работы клапанов в своей теплообменной системе.

Эти последние результаты являются примером того, как эластокалорические материалы догоняют эффективность охлаждения своих магнитокалорических аналогов и вскоре могут стать реальными кандидатами для коммерческих систем охлаждения.

Твердотельное охлаждение достигается за счет деформации, индуцированной электрическим полем.

Однако Такеучи признает, что до практического использования эластокалорических материалов еще далеко, поскольку для этого, вероятно, сначала потребуется разработать более совершенные материалы. «Высокое напряжение, необходимое для NiTi, по-прежнему остается проблемой, но на горизонте есть материалы, другие сверхэластичные материалы, которые, как известно, демонстрируют упругокалорические эффекты при гораздо меньшем напряжении», — говорит он.

«Эти материалы менее разработаны и еще не коммерчески доступны, но мы считаем, что дальнейшая разработка этих материалов и внедрение их в системы охлаждения с низкими нагрузками — действительно захватывающая перспектива». Команда Такеучи уже разработала план создания компактного эластокалорического холодильника для вина и надеется продемонстрировать успешный прототип, как только эти материалы станут доступны.