Инженеры разработали умный сплав, меняющий температуру при растяжении

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий разработали эластичный сплав Ti78Nb22, который нагревается и охлаждается в 20 раз эффективнее обычных металлов. Этот результат, опубликованный в Nature Communications, показывает, что сплав работает с эффективностью, близкой к теоретическому максимуму — 90% от идеального теплового цикла (цикла Карно). Это значит, что новый материал может стать экологичной альтернативой обычным тепловым насосам и поможет снизить зависимость от ископаемого топлива, которое используется для половины всех нужд в отоплении по всему миру.

Что создали ученые

Сплав Ti78Nb22 состоит из титана и ниобия. Его уникальное свойство — нагреваться при растяжении и охлаждаться при сжатии, почти как резинка, но гораздо мощнее. Это явление называется термоупругим эффектом. Если обычный металл при растяжении нагревается совсем чуть-чуть (примерно на 0,2 градуса), то этот сплав может изменить температуру на целых 4–5 градусов — это в 20 раз больше. Такой эффект сопоставим с современными системами охлаждения, которые используют специальные газы (хладагенты).

Сплав достигает 90% эффективности Карно — предела идеального теплового цикла, тогда как традиционные твердотельные насосы ограничены 50–70%. Ученые считают, что похожие сплавы с особенными свойствами, которые меняют форму и температуру под давлением (их называют ферроупругими), могут менять свою температуру еще сильнее — примерно на 22 градуса. Это значит, что такие материалы смогут, например, лучше нагревать или охлаждать, что повысит производительность устройств на их основе.

«Наше исследование показывает, что линейная эластическая деформация может быть использована для высокоэффективной тепловой перекачки», — говорит профессор Сун.

Где это будет использоваться

Отопление и охлаждение составляют половину мирового энергопотребления, в основном за счет сжигания ископаемого топлива, что усиливает выбросы парниковых газов. Традиционные тепловые насосы, использующие фазовые переходы, менее эффективны и часто применяют хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления. Ti78Nb22 предлагает экологичное решение: он не выделяет парниковых газов, полностью перерабатывается и работает без сложных фазовых переходов.

«Эта технология обеспечивает преобразующее решение для замены отопления на ископаемом топливе. Сплав может применяться в зданиях, промышленности и даже в компактных устройствах, снижая энергозатраты на 20–30% и выбросы углерода», — отмечает доктор Ли Цяо, первый автор исследования. 

Ti78Nb22 может стать основой для тепловых насосов нового поколения. Ученые уже разрабатывают прототипы для промышленности, а патенты на технологию поданы. Сплавы могут сделать системы еще мощнее, охлаждая помещения с 30 °C до 21 °C за 15 минут. Это особенно важно, так как кондиционирование занимает 20% мировой электроэнергии.