Охлаждение от тепла: создана холодильная система без электричества
Исследователи Карлсруэского технологического института (KIT) и Университета Цукубы в Японии разработали твердотельную систему охлаждения, которая приводится в действие теплом. Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.
В основе устройства лежат две тонкие пленки из никель-титанового сплава с эффектом памяти формы. Одна превращает тепло в механическое движение, а вторая использует это движение для охлаждения.
Тепло запускает цепочку
Новый принцип относится к эластокалорическому охлаждению. Такие материалы нагреваются и охлаждаются при механической деформации. Раньше подобные системы все равно требовали электричества, чтобы растягивать и сжимать рабочий материал.
В новой конструкции эту работу выполняет сама первая пленка. При нагревании она резко сокращается и тянет вторую пленку, которая начинает работать как охладитель. Когда нагрузка снимается, структура металла возвращается в исходное состояние, при этом его температура заметно падает.
«Ключевая инновация заключается в том, что мы объединили две взаимодополняющие функции сплавов с памятью формы. Одна пленка преобразует тепло в механическую работу, а другая превращает эту работу в холод», — объяснил Цзинъюань Сюй, руководитель исследовательской группы Young Investigator Group лаборатории ZEco Thermal Lab при KIT.
Пленки тоньше человеческого волоса
В экспериментальном устройстве используется приводная пленка толщиной всего 22 микрометра и охлаждающая пленка толщиной 26,5 микрометра. Для сравнения, человеческий волос обычно имеет толщину около 50–100 микрометров.
Приводная пленка развивает усилие 14,5 Н/мм. По этому показателю она более чем в десять раз превосходит сопоставимые электромеханические приводы.
Первые испытания показали, что система способна снизить температуру самой конструкции примерно на 4 °C. В эластокалорическом материале перепад достиг почти 13 °C при нагреве приводной пленки до 86 °C. Устройство также работало с внешними источниками тепла температурой до 130 °C.
«Решающим моментом для нас стало измерение холода, который действительно удалось получить с помощью системы, работающей от тепла. Это показало, что принцип работает не только в теории», — рассказала И-Тин Сяо, ведущий автор исследования и докторант IMT.
От отходящего тепла к охлаждению электроники
По данным исследования, эластокалорические системы могут достигать 84% от теоретически максимальной эффективности охлаждения. Однако нынешний прототип пока остается экспериментальной установкой с небольшой производительностью.
Теперь исследователи хотят увеличить мощность системы, объединив несколько пленок, работающих параллельно. В перспективе такой подход можно использовать там, где одновременно есть источник тепла и потребность в охлаждении.
Например, отработанное тепло процессора может использоваться для его собственного охлаждения. Похожий принцип рассматривают и для электроники электромобилей, которую можно охлаждать за счет тепла, выделяемого силовой установкой.
«Таким образом мы предлагаем новый способ создания твердотельного охлаждения и открываем возможности для использования отходящего тепла и солнечной энергии», — отметил Сюй.
