Powoli ciepło przestaje być wyłącznie odpadem, którego trzeba się pozbyć, a zaczyna być źródłem energii, którym można sterować, odzyskiwać je i wykorzystywać ponownie. Pisałem już o tym przy materiale zdolnym sterować promieniowaniem cieplnym, ale najnowsze osiągnięcie naukowców z Karlsruhe Institute of Technology oraz University of Tsukuba idzie w jeszcze dziwniejszą stronę. Bo co, jeśli właśnie gorąco mogłoby napędzać samo chłodzenie?
Dwie metalowe warstwy i chłód bez klasycznego kompresora
Kluczem do nowego osiągnięcia jest chłodzenie elastokaloryczne, czyli technologia, która nie potrzebuje typowego obiegu z czynnikiem chłodniczym i sprężarką. Jej podstawą mogą być stopy z pamięcią kształtu, bo kiedy odpowiednio je naprężamy, to z automatu zmienia się ich struktura krystaliczna, materiał się ogrzewa, a kiedy obciążenie znika i struktura wraca do wcześniejszego stanu – ochładza się.
Ten mechanizm nie jest nowym odkryciem. W kwietniu pisałem już o chłodzeniu wykorzystującym stopy niklu i tytanu, ale tak się składa, że elastokaloryka od kilku lat wyrasta na jednego z kandydatów do zastąpienia części tradycyjnych systemów chłodniczych. Problem pozostawał jednak bardzo przyziemny. Metal trzeba przecież czymś rozciągać lub ściskać, a więc konieczny był elektryczny napęd. Aby to rozwiązać i przykuć uwagę świata, zespół z KIT połączył dwie niezwykle cienkie warstwy ze stopów z pamięcią kształtu.
Czytaj też: Mobilio to Google Maps na sterydach. Zmienili zwykły telefon w elektronicznego przewodnika
W proponowanym układzie pierwsza warstwa, wykonana z TiNi, reaguje na podgrzanie zmianą kształtu i zamienia energię cieplną bezpośrednio na ruch. Ten ruch obciąża drugą warstwę z TiNiFe, która pełni już funkcję właściwego elementu chłodzącego. Po zwolnieniu naprężenia zachodzi w niej odwrotna przemiana fazowa i jej temperatura spada. Gorąco wykonuje więc pracę, którą wcześniej musiał wykonywać elektryczny siłownik.
Działa. Tyle że na razie trudno schłodzić tym nawet napój
Pierwsze liczby są jednocześnie imponujące i wręcz pełne wątpliwości. Przy temperaturze warstwy napędowej wynoszącej 86°C materiał chłodzący osiągnął zmianę temperatury prawie 13°C, natomiast różnica temperatur na poziomie całego urządzenia wyniosła 4°C. Jeszcze ważniejsza była próba z rzeczywistym zewnętrznym źródłem ciepła o temperaturze 130°C. Wtedy prototyp utrzymał różnicę 2,2°C na poziomie urządzenia. Innymi słowy – działa. Nie oznacza to jednak, że naukowcy właśnie zbudowali lodówkę przyszłości.
Moc chłodnicza demonstratora przy zerowej różnicy temperatur wynosiła raptem 2,79 mW. Mówimy więc o stanowisku potwierdzającym zasadę działania, a nie czymś gotowym do chłodzenia pokoju, procesora czy nawet puszki napoju. Badacze sami planują teraz łączyć wiele warstw równolegle, żeby zwiększyć wydajność. Warto przy tym pamiętać, że sama elastokaloryka zaszła już znacznie dalej pod względem skali, bo do 1284 W mocy chłodniczej, ale najnowsza praca rozwiązuje inną część układanki.
Wykorzystanie ciepła odpadowego to strzał w 10
Współczesny świat produkuje gigantyczne ilości ciepła odpadowego. Fabryki, silniki, instalacje energetyczne, centra danych i elektronika nieustannie oddają energię do otoczenia, a my następnie zużywamy dodatkowy prąd, żeby skutki tego ogrzewania ograniczać. Centra danych są szczególnie dobrym przykładem. Ich zużycie energii elektrycznej wzrosło w 2025 roku globalnie o około 17 procent, a rozwój sztucznej inteligencji sprawia, że problem zasilania i chłodzenia infrastruktury staje się coraz poważniejszy.
Czytaj też: Oblężenie XXI wieku, czyli jak średniowieczna broń przekroczyła barierę dźwięk
Naukowcy sugerują więc scenariusz niemal absurdalny na pierwszy rzut oka – procesor mógłby potencjalnie wykorzystać własne ciepło odpadowe do napędzania swojego chłodzenia. Traktowałbym tę wizję jednak jeszcze bardzo ostrożnie. Obecna konstrukcja przy zewnętrznym ogrzewaniu wymagała bowiem źródła o temperaturze 130°C, czyli wyższej niż temperatura, w której chcielibyśmy utrzymywać elektronikę. Badacze chcą jednak obniżyć wymagany próg przez zmianę geometrii i temperatur przemian stopów.
Znacznie łatwiej wyobrazić sobie pierwsze zastosowania przy gorących elementach napędów samochodowych, instalacjach przemysłowych albo kolektorach słonecznych.
Lodówka przyszłości może nie mieć wiele wspólnego z dzisiejszą
Na ten moment sam prototyp nie jest kompletnym urządzeniem niewymagającym energii elektrycznej. Stanowisko badawcze nadal korzystało z aktywnie sterowanych elementów przesuwających źródła i odbiorniki ciepła. Przełom polega na tym, że ciepło zastąpiło elektryczny siłownik odpowiedzialny za wymuszanie przemiany elastokalorycznej. Mówimy więc bardziej o chłodzeniu wymagającym potencjalnie znacznie mniej prądu niż o magicznej lodówce działającej bez kabla.
Czytaj też: Naukowcy dali tranzystorowi pamięć i poczucie czasu. Tak zmienia się elektronika
Pamiętajmy jednak, że przez całe dziesięciolecia lodówkę definiowały sprężarka, rury, wymienniki i krążący między nimi czynnik chłodniczy. Tymczasem badania nad chłodzeniem magnetokalorycznym, elastokalorycznym i innymi systemami ciała stałego pokazują, że za kilkanaście czy kilkadziesiąt lat samo słowo “lodówka” może opisywać urządzenie działające na zupełnie innej zasadzie. Umówmy się bowiem – jeszcze niedawno wizja, w której cienka metalowa warstwa ogrzewa się, kurczy i wykorzystuje ten ruch do schładzania drugiej metalowej warstwy brzmiałaby jak ciekawostka, a dziś jest już działającym prototypem.
