Hvordan materialer du aldri har hørt om kan rydde opp i klimaanlegget

Rør og andre komponenter av en prototype for kalorier utviklet ved University of Maryland. Med tillatelse: Ichiro Takeuchi

For flere år siden utførte forskere ved Polytechnic University of Catalonia og University of Cambridge en rekke enkle eksperimenter som kan ha enorme implikasjoner for kjøling og nedkjøling.

De plasserte plastkrystaller av neopentylglykol - et vanlig kjemikalie som brukes til å produsere maling og smøremidler - i et kammer, tilsatte olje og skrudde ned et stempel. Etter hvert som væsken ble komprimert og påført trykk, steg temperaturen på krystallene med rundt 40 ˚C.

Det var den største temperaturskifte som er registrert fra å sette materialer under press, i det minste da funnene ble publisert i en Nature Communications-artikkel i fjor. Og å dempe trykket har motsatt effekt, og kjøler ned krystallene dramatisk.

Forskerteamet sa at resultatene fremhever en lovende tilnærming til å erstatte tradisjonelle kjølemedier, som potensielt kan levere miljøvennlig kjøling uten at det går på bekostning av ytelsen. Slike fremskritt er avgjørende, siden økende rikdom, økende befolkning og stigende temperaturer kan tredoble energibehovet fra innendørskjøling innen 2050 uten store teknologiske forbedringer, Det internasjonale energibyråets prosjekter .

Temperaturendringene i materialene var sammenlignbare med de som forekommer i hydrofluorkarbonene som driver kjøling i standard klimaanlegg og kjøleskap. Hydrofluorkarboner er imidlertid kraftige drivhusgasser.

Arbeidet er basert på et lenge kjent fenomen, kjent hvis du noen gang har strukket en ballong og rørt den mot leppene dine , der såkalte kalorimaterialer frigjør varme når de settes under press eller stresses. Å utsette visse materialer for magnetiske og elektriske felt, eller en kombinasjon av disse kreftene, gjør også susen i noen tilfeller.

Forskere har utviklet magnetiske kjøleskap basert på disse prinsippene i flere tiår, selv om de har en tendens til å kreve store, kraftige og dyre magneter. Men forskere gjør betydelige fremskritt på feltet, ifølge en anmeldelsesartikkel i Science torsdag, skrevet av Xavier Moya og N.D. Mathur, materialforskere ved University of Cambridge som jobbet med eksperimentene beskrevet ovenfor.

Forskerteam identifiserer en rekke kalorimaterialer som gjennomgår store temperaturskifter og setter dem i arbeid i prototyper for oppvarming og kjøling, bemerker forfatterne. Materialer og enheter som kan frigjøre og overføre store mengder varme ved hjelp av elektrisitet, belastning og trykk – tilnærminger som først virkelig tok av for litt mer enn et tiår siden – er allerede i ferd med å innhente ytelsen som er oppnådd gjennom tiår med arbeid innen magnet- baserte kjøleenheter.

I tillegg til å redusere behovet for hydrofluorkarboner, er håpet at teknologien til slutt kan bli mer energieffektiv enn standard kjøleenheter, gitt varmen som frigjøres i forhold til mengden energi som trengs for å drive endringen. En kritisk forskjell med denne teknologien er at materialene forblir i fast tilstand, mens tradisjonelle kjølemedier, som hydrofluorkarboner, fungerer ved å skifte mellom gass- og væskefase.

Utløser en faseendring

Slik fungerer teknologien:

Mange materialer viser små temperaturendringer under visse krefter. Men forskere har jaktet på materialer som gjennomgår store skift, ideelt sett fra så lite tilført energi som mulig. Blant andre materialer har visse metallegeringer vist lovende resultater under belastning; noen keramikk og polymerer reagerer godt på elektriske felt; og uorganiske salter og gummi ser lovende ut for trykk.

Kreftene eller feltene stiller opp atomene eller molekylene i materialene på mer ordnede måter, og bringer til en faseendring som ligner på det som skjer når frittflytende vannmolekyler blir til kompakte iskrystaller. (Når det gjelder kalorimaterialer, skjer imidlertid faseendringen mens materialene forblir i en fast tilstand, men en som er mer stiv.) Denne prosessen frigjør nok latent varme til å ta hensyn til energiforskjellen mellom de to tilstandene. Når materialene går tilbake når kreftene frigjøres, gir det en temperaturreduksjon som deretter kan utnyttes til kjøling.

Dette er ikke veldig forskjellig fra hvordan kjøleenheter fungerer i dag: de dekomprimerer hydrofluorkarboner til det punktet at de går fra en væske til en gass. Men denne solid-state kjøling tilnærmingen kan være langt mer energieffektiv, i det minste delvis fordi du ikke trenger å flytte molekylene nesten like langt for å få til faseendringen, sier Jun Cui, seniorforsker ved Ames Laboratory.

Beveger seg inn i markedet

Nøkkelen til å levere konkurransedyktige kommersielle enheter er å identifisere rimelige materialer som gjennomgår store temperaturskifter, enkelt går tilbake, tåler lengre sykluser av disse endringene uten å gå i stykker (kommersielle kjøleskap kan kjøre i millioner av sykluser ), og er ikke dyre.

Visse materialer og brukstilfeller nærmer seg å nå det kommersielle markedet, sier Ichiro Takeuchi, en materialforsker ved University of Maryland. Han startet et selskap å produsere kjøleenheter fra materialer som reagerer på stress for omtrent et tiår siden, kalt Maryland Energy & Sensor Technology.

Forskningsgruppen hans utviklet en prototype kjøleenhet som komprimerer og frigjør rør laget av nikkeltitan for å indusere oppvarming og kjøling. Vann som renner gjennom rørene absorberer og avleder varme i den innledende fasen, og prosessen går deretter i revers til kjølevann som kan brukes til å kjøle en beholder eller oppholdsrom.

Prototypen for kjøleenhet utviklet av Ichiro Takeuchis forskningsgruppe.

HJEMMELIG: ICHIRO TAKEUCHI

Selskapet planlegger å produsere en vinkjøler, som ikke krever den samme kjølekraften som et stort kjøleskap eller vindus AC-enhet, som et første produkt, ved bruk av et uspesifisert, men rimeligere materiale.

Moya, en av forfatterne av Science-artikkelen, grunnla sin egen oppstart for omtrent halvannet år siden. Barokal , basert i Cambridge, England, har utviklet en prototype varmepumpe basert på plast krystaller som er relatert til neopentylglykol, men bedre, sier han.

Alt i alt har det blitt dannet et titalls startups for å kommersialisere teknologien, og en rekke eksisterende selskaper, inkludert den kinesiske husholdningsgiganten Haier og Astronautics Corporation of America , har også utforsket potensialet.

Cui forventer at vi vil se noen av de første kommersielle produktene basert på materialer som endrer temperatur som svar på kraft og stress i løpet av de neste fem til ti årene, men han sier at det sannsynligvis vil ta år lenger før prisene blir konkurransedyktige med standard kjøleprodukter .

Oppdatering: Denne historien ble oppdatert for å klargjøre tidspunktet for neopentylglykol-eksperimentene.

gjemme seg