Inspiracją dla autorów ostatnich badań okazały się naturalne struktury plastra miodu i bambusa. Powstał w takich okolicznościach element wytrzymał ponad 100 milionów cykli pracy, a jego przewidywana żywotność w warunkach testowych przekracza 10 lat. To bardzo istotne, ponieważ jedną z największych przeszkód w rozwoju chłodzenia elastokalorycznego pozostaje trwałość materiałów oraz koszt ich produkcji. Nowa metoda wytwarzania może rozwiązać oba problemy.
Czytaj też: Gorąco robi zimno. Naukowcy właśnie wywrócili chłodzenie do góry nogami
Dlaczego to ważne? Większość współczesnych klimatyzatorów i lodówek wykorzystuje obieg sprężarkowy. W jego ramach czynnik chłodniczy krąży pomiędzy poszczególnymi elementami układu, zmieniając ciśnienie i stan skupienia, co umożliwia odbieranie ciepła z chłodzonej przestrzeni i odprowadzanie go na zewnątrz. Technologia elastokaloryczna działa inaczej. Wykorzystuje specjalne materiały, między innymi stopy z pamięcią kształtu, które zmieniają swoją strukturę krystaliczną pod wpływem naprężeń mechanicznych.
Kiedy stop niklowo-tytanowy ulega ściskaniu bądź rozciąganiu, dochodzi do przemiany strukturalnej, której towarzyszy wydzielanie ciepła. Po zwolnieniu naprężenia materiał wraca do poprzedniego stanu i pochłania energię cieplną z otoczenia. Powtarzanie tego procesu pozwala uzyskać efekt chłodzenia bez konieczności stosowania tradycyjnego czynnika chłodniczego. To z kolei powinno zmniejszyć zależność urządzeń chłodniczych od substancji, których uwolnienie do atmosfery przyczynia się do globalnego ocieplenia.
Zespół badawczy kierowany przez Qingpinga Suna zastosował metodę określaną jako tłoczenie i układanie warstwowe. Cały proces rozpoczyna się od przygotowania cienkich arkuszy stopu NiTi, z których za pomocą tłoczenia powstają porowate elementy. Następnie są one układane jeden na drugim, tworząc rurową strukturę wymiennika chłodniczego. Powstała konstrukcja przypomina pod względem założeń mechanicznych plaster miodu. Jej warstwowa budowa ma zwiększać odporność na uszkodzenia, a poszczególne elementy ograniczają rozprzestrzenianie się pęknięć. W przypadku tradycyjnych, jednolitych struktur uszkodzenie może postępować wzdłuż całego elementu, prowadząc do poważnej awarii. Tutaj granice pomiędzy warstwami mogą zatrzymywać lub spowalniać ten proces.
Istotne są również koszty produkcji. Według danych HKUST nowa metoda pozwala wytwarzać około 100 porowatych elementów stopowych na minutę. Jest to ponad 100 razy szybciej niż w porównywanej technologii WEDM, a koszt produkcji ma być niższy o około 95 proc. Badacze sprawdzili również możliwości praktycznego wykorzystania opracowanej konstrukcji. W demonstratorze zastosowano moduł chłodniczy o długości zaledwie 30 mm, składający się z 200 ułożonych warstwowo elementów NiTi.
Czytaj też: Materiał miał blokować prąd, a zaczął go przewodzić. Naukowcy dokonali niemożliwego?
Prototyp osiągnął różnicę temperatur wynoszącą maksymalnie około 12 stopni Celsjusza oraz jednostkową moc chłodniczą na poziomie 3,85 W/g. Szczególnie imponujący jest jednak wynik testów wytrzymałościowych: konstrukcja przetrwała ponad 100 milionów cykli pracy. Na podstawie tych rezultatów naukowcy szacują, że przy testowanych warunkach eksploatacji jej żywotność może przekroczyć dekadę. Co istotne. uzyskana różnica temperatur nie jest równoznaczna z obniżeniem temperatury pomieszczenia o tę samą wartość. Poza tym nie poznaliśmy jeszcze całkowitej sprawności energetycznej ani kosztów eksploatacji kompletnego urządzenia, choć sama koncepcja bez wątpienia jest godna uwagi.
Źródło: Science
