Nowe południowokoreańskie urządzenie elastokaloryczne utrzymało swoją moc chłodniczą na poziomie 400 W oraz różnicę temperatur wynoszącą 41°C przez milion cykli pracy bez wykrywalnej degradacji osiągów. Nie mówimy więc tylko o tym, że coś potrafi się schłodzić. Mówimy o próbie udowodnienia, że może robić to wielokrotnie i bez żadnych niepokojących ekstremów.
Jak można chłodzić metalem?
Mechanizm “chłodzenia metalem” opisywałem już przy wcześniejszych systemach chłodzenia wykorzystujących stopy z pamięcią kształtu i niezmiennie uważam go za jeden z ciekawszych kandydatów do zastąpienia części klasycznych układów chłodniczych. W dużym uproszczeniu działa to tak, że odpowiedni stop pod wpływem naprężenia zmienia swoją strukturę krystaliczną. Podczas wymuszanej przemiany wydziela ciepło, które można odprowadzić do otoczenia. Po zmniejszeniu naprężenia zachodzi przemiana odwrotna, a materiał pochłania energię cieplną i się ochładza. Jeśli dodamy do tego wymienniki ciepła, przepływ cieczy oraz mechanizm cyklicznego obciążania stopu, to z automatu dostajemy coś, co funkcjonalnie zaczyna przypominać chłodziarkę, ale bez klasycznego obiegu sprężanego gazu.
Milion cykli bez spadku mocy chłodniczej
Sednem nowego osiągnięcia jest zaś stop TiNiCuCo, czyli materiał bazujący na tytanie i niklu z dodatkiem miedzi oraz kobaltu. W typowych konstrukcjach stosuje się stopy NiTi z pamięcią kształtu, które podczas kolejnych przemian fazowych cierpią na tzw. zmęczenie funkcjonalne. Autorzy nowej pracy podają, że wcześniejsze urządzenia elastokaloryczne potrafiły z tego powodu tracić z czasem od 17 do aż 48% wydajności.
Czytaj też: Klimatyzacja może dostać nowego rywala. Wystarczy rozciągać odpowiedni metal, aby chłodzić
Sam materiał także został poddany znacznie bardziej brutalnemu testowi przyspieszonemu. Po 100 milionach cykli nie został zaobserwowany spadek jego właściwości funkcjonalnych, a naukowcy szacują, że w rzeczywistych warunkach eksploatacji taki czynnik stały mógłby pracować ponad dekadę. Jest to jednak nadal prognoza oparta na testach, a nie klimatyzator wiszący przez dziesięć lat na ścianie czyjegoś domu, więc nie traktowałbym jej jak gwarancji producenta. Różnica względem typowego laboratoryjnego demonstratora jest jednak ogromna.
Zwłaszcza że badacze dopracowali zarówno materiał, jak i konstrukcję. Podwójna struktura żeber poprawiła wymianę ciepła i odporność mechaniczną, a przeprojektowanie całego urządzenia pozwoliło zmniejszyć liczbę komponentów o połowę oraz udział elementów nieaktywnych z 15 do 5%.
Rok temu brakowało mocy. Teraz naukowcy walczą już o trwałość
Najlepiej widać skalę postępu wtedy, gdy cofniemy się zaledwie do 2025 roku. Ten sam ośrodek zaprezentował wtedy pierwszy kilowatowy system elastokaloryczny, który osiągnął moc chłodniczą na poziomie 1284 W. W testowym obiekcie o objętości 2,7 m³ zdołał przy temperaturze otoczenia 30-31°C zejść do 21-22°C w około 15 minut. Tamten projekt odpowiadał więc na pytanie “czy da się uzyskać wystarczająco dużo chłodu?”, a najnowszy odpowiada na równie ważne, bo “czy urządzenie nie zajedzie samo siebie podczas pracy?”.
Czytaj też: Klimatyzacja reliktem przeszłości? Twój dom może sam walczyć z upałem za darmo
Jest to charakterystyczny moment w rozwoju technologii. Rekordy zaczynają ustępować miejsca problemom, z którymi mierzy się potencjalny finalny produkt. Podobny etap widać chociażby przy chłodzeniu magnetokalorycznym, gdzie samo odkrycie dobrego materiału nie wystarcza, bo później trzeba jeszcze stworzyć z niego trwałe, tanie i wydajne elementy rzeczywistego urządzenia. Nie oznacza to jednak, że już teraz klasyczna klimatyzacja właśnie dostała datę śmierci. Zespół HKUST sam przyznaje, że musi jeszcze poprawić sprawność energetyczną, gęstość mocy i przede wszystkim konkurencyjność kosztową całego rozwiązania. Dopiero powstaje klimatyzator wykorzystujący tę technologię.
Klimatyzatora i lodówki długo jeszcze nie wymienimy
Samo “chłodzenie bez gazowego czynnika” nie znaczy automatycznie “chłodzenie za darmo”. Mechanizm nadal trzeba napędzać, ciecz transportującą ciepło trzeba pompować, a cały układ musi powstawać z odpowiednio przygotowanych stopów i wytrzymywać wieloletnie naprężenia. Dopiero porównanie pełnego urządzenia z nowoczesną sprężarkową klimatyzacją pokaże, ile prądu rzeczywiście oszczędzamy i ile kosztuje taki luksus.
Czytaj też: Klimatyzacja tańsza nawet o połowę. Ta firma może zmienić świat na lepsze
Presja na znalezienie alternatyw jest jednak coraz większa. Klasyczne pompy ciepła i klimatyzatory zależą od czynników chłodniczych, a regulacje coraz mocniej ograniczają wykorzystanie substancji o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego. Pisałem o tym niedawno przy zmianach dotyczących czynników chłodniczych w pompach ciepła, bo wbrew pozorom, sprawa robi się coraz poważniejsza. Na całe jednak szczęście już teraz badacze zaczynają usuwać problemy stojące między eksperymentem a urządzeniem użytkowym. Rok temu pokazali moc przekraczającą kilowat. Teraz pokazali trwałość. Jeśli kolejnym krokiem rzeczywiście będzie wysoka sprawność i rozsądna cena, chłodzenie metalem może przestać być egzotycznym eksperymentem.
