Hvordan materialer, du aldrig har hørt om, kunne rense klimaanlægget

Rør og andre komponenter i en prototype med kalorieindhold udviklet ved University of Maryland. Høflighed: Ichiro Takeuchi

For adskillige år siden udførte forskere ved Polytechnic University of Catalonia og University of Cambridge en række simple eksperimenter, der kunne have enorme konsekvenser for køling og nedkøling.

De placerede plastikkrystaller af neopentylglycol - et almindeligt kemikalie, der bruges til at fremstille maling og smøremidler - i et kammer, tilføjede olie og skruede et stempel ned. Efterhånden som væsken komprimerede og påførte tryk, steg temperaturen af ​​krystallerne med omkring 40 ˚C.

Det var største temperaturskifte nogensinde registreret fra at sætte materialer under pres, i det mindste da resultaterne blev offentliggjort i et Nature Communications papir sidste år. Og at lette trykket har den modsatte effekt, hvilket afkøler krystallerne dramatisk.

Forskerholdet sagde, at resultaterne fremhæver en lovende tilgang til at erstatte traditionelle kølemidler, hvilket potentielt leverer miljøvenlig køling uden at gå på kompromis med ydeevnen. Sådanne fremskridt er afgørende, eftersom stigende velstand, voksende befolkninger og stigende temperaturer kan tredoble energibehovet fra indendørs køling i 2050 uden større teknologiske forbedringer, Det Internationale Energiagenturs projekter .

Temperaturændringen i materialerne var sammenlignelig med dem, der forekommer i de hydrofluorcarboner, der driver køling i standard klimaanlæg og køleskabe. Hydrofluorcarboner er imidlertid kraftige drivhusgasser.

Værket er baseret på et længe kendt fænomen, velkendt, hvis du nogensinde har strakt en ballon og rørt den til dine læber , hvor såkaldte kaloriematerialer frigiver varme, når de er under pres eller stressede. At udsætte visse materialer for magnetiske og elektriske felter eller en kombination af disse kræfter gør også i nogle tilfælde det trick.

Forskere har udviklet magnetiske køleskabe baseret på disse principper i årtier, selvom de har en tendens til at kræve store, kraftige og dyre magneter. Men forskere gør betydelige fremskridt på området, ifølge en anmeldelsesartikel i Science torsdag, skrevet af Xavier Moya og N.D. Mathur, materialeforskere ved University of Cambridge, som arbejdede på de ovenfor beskrevne eksperimenter.

Forskerhold udpeger adskillige kalorieholdige materialer, der gennemgår store temperaturskift, og sætter dem i gang i prototypeopvarmnings- og køleanordninger, bemærker forfatterne. Materialer og enheder, der kan frigive og overføre store mængder varme ved hjælp af elektricitet, belastning og tryk - tilgange, der først for alvor startede for lidt mere end et årti siden - er allerede ved at indhente den præstation, der er opnået gennem årtiers arbejde med magnet- baseret køleudstyr.

Ud over at reducere behovet for hydrofluorcarboner er håbet, at teknologien i sidste ende kan være mere energieffektiv end standardkøleanordninger, givet den frigivne varme i forhold til mængden af ​​energi, der er nødvendig for at drive ændringen. En kritisk forskel med denne teknologi er, at materialerne forbliver i fast tilstand, mens traditionelle kølemidler, som hydrofluorcarboner, virker ved at skifte mellem gas- og væskefaser.

Udløser et faseskift

Sådan fungerer teknologien:

Mange materialer udviser små temperaturændringer under visse kræfter. Men forskere har været på jagt efter materialer, der gennemgår store skift, ideelt set fra så lidt tilført energi som muligt. Blandt andre materialer har visse metallegeringer vist lovende resultater under belastning; nogle keramik og polymerer reagerer godt på elektriske felter; og uorganiske salte og gummi ser lovende ud for tryk.

Kræfterne eller felterne opstiller atomerne eller molekylerne i materialerne på mere ordnede måder, hvilket medfører en faseændring svarende til, hvad der sker, når fritstrømmende vandmolekyler bliver til kompakte iskrystaller. (I tilfælde af kalorieholdige materialer sker faseændringen, mens materialerne forbliver i en fast tilstand, dog en der er mere stiv.) Denne proces frigiver tilstrækkelig latent varme til at tage højde for energiforskellen mellem de to tilstande. Når materialerne vender tilbage, når kræfterne udløses, giver det et temperaturfald, som så kan udnyttes til afkøling.

Dette er ikke meget forskelligt fra, hvordan køleanordninger fungerer i dag: de dekomprimerer hydrofluorcarboner til det punkt, at de skifter fra en væske til en gas. Men denne faststofkølingstilgang kan være langt mere energieffektiv, i det mindste delvist, fordi du ikke behøver at flytte molekylerne nær så langt for at frembringe faseændringen, siger Jun Cui, en seniorforsker ved Ames Laboratory.

Bevæger sig ind på markedet

Nøglen til at levere konkurrencedygtige kommercielle enheder er at identificere overkommelige materialer, der gennemgår store temperaturskift, let vender tilbage, modstår længere cyklusser af disse ændringer uden at gå i stykker (kommercielle køleskabe kan køre i millioner af cyklusser ), og er ikke dyre.

Visse materialer og anvendelsessager er tæt på at nå det kommercielle marked, siger Ichiro Takeuchi, en materialeforsker ved University of Maryland. Han lancerede et firma at producere køleanordninger af materialer, der reagerer på stress for omkring et årti siden, kaldet Maryland Energy & Sensor Technology.

Hans forskergruppe udviklede en prototype køleenhed, der komprimerer og frigiver rør lavet af nikkel titanium for at inducere opvarmning og afkøling. Vand, der løber gennem rørene, absorberer og afleder varme i den indledende fase, og processen kører derefter omvendt til kølevand, der kan bruges til at køle en beholder eller et opholdsrum.

Prototypen af ​​køleenhed udviklet af Ichiro Takeuchis forskningsgruppe.

TILLADELSE: ICHIRO TAKEUCHI

Virksomheden planlægger at producere en vinkøler, der ikke kræver den samme køleeffekt som et stort køleskab eller vindues AC-enhed, som et første produkt ved at bruge et uspecificeret, men billigere materiale.

Moya, en af ​​forfatterne til Science-papiret, var med til at stifte sin egen startup for omkring halvandet år siden. Barokal , med base i Cambridge, England, har udviklet en prototype varmepumpe baseret på plastik krystaller der er relateret til neopentylglycol, men bedre, siger han.

Alt i alt er der dannet et dusin startups for at kommercialisere teknologien, og en række eksisterende virksomheder, herunder den kinesiske husholdningsgigant Haier og Astronautics Corporation of America , har også udforsket dets potentiale.

Cui forventer, at vi vil se nogle af de første kommercielle produkter baseret på materialer, der ændrer temperatur som reaktion på kraft og stress inden for de næste fem til 10 år, men han siger, at det sandsynligvis vil tage år længere, før priserne bliver konkurrencedygtige med standardkøleprodukter .

Opdatering: Denne historie blev opdateret for at tydeliggøre timingen af ​​neopentylglycol-eksperimenterne.

skjule