Исследователи из немецкого Технологического института Карлсруэ (KIT) и японского Университета Цукуба представили «первую в мире» твердотельную систему охлаждения с эластокалорическим эффектом, работающую за счёт тепла. Интересно, что система не требует электродвигателей и работает непосредственно за счёт тепла окружающей среды, отработанного тепла или солнечного света. Она соединяет две ультратонкие плёнки из никель‑титанового (NiTi) сплава с памятью формы, что позволяет обойтись без электродвигателя.
На охлаждение и обогрев уходит почти половина мировой энергии. Между тем химические хладагенты продолжают попадать в атмосферу, усугубляя климатический кризис. Ранние модели твердотельных «эластокалорических» материалов предлагали более экологичный путь, поскольку эти сплавы охлаждаются при растяжении и отпускании. Однако в тех ранних системах для создания механической силы по‑прежнему использовалась электроэнергия. Новый подход полностью исключает использование электроэнергии за счёт соединения двух тонких, как бумага, никель‑титановых плёнок, работающих в тандеме.
Первая плёнка выступает в роли внутреннего двигателя системы. Под воздействием тепла этот сплав с памятью формы резко сжимается, преобразуя тепловую энергию непосредственно в мощную механическую тяговую силу без использования электродвигателя. Это механическое действие мгновенно растягивает вторую плёнку, выполняющую функцию холодильника. При снятии нагрузки обратимые структурные изменения в металле резко понижают его температуру, генерируя холодный воздух непосредственно из тепла.
В системе используется односторонняя плёнка‑привод из сплава с памятью формы толщиной 22 микрометра в сочетании с плёнкой‑холодоносителем из сверхэластичного сплава толщиной 26,5 микрометра. Миниатюрная плёнка‑привод обеспечивает высокое соотношение силы к перемещению — 14,5 Н/мм, что более чем в десять раз превосходит показатели аналогичных коммерческих электромеханических приводов.
В ходе первоначальных экспериментов прототип успешно доказал свою практическую осуществимость, обеспечив понижение температуры на уровне компонентов на 4 °C и охлаждение эластокалорического материала почти на 13 °C при входной температуре привода 86 °C. Система также продемонстрировала высокую надёжность в реальных условиях, стабильно работая при питании от внешних источников тепла с температурой до 130 °C.
Согласно исследованию, эластокалорическое охлаждение значительно эффективнее существующих компактных технологий. Оно может достигать 84 процентов своей максимальной теоретической эффективности охлаждения, значительно опережая другие термоэлектрические охлаждающие модули.
Хотя нынешние прототипы служат в качестве ранних моделей для оценки осуществимости, исследователи активно увеличивают охлаждающую мощность системы за счёт параллельного соединения нескольких плёнок из сплава. Будущие практические применения включают использование отработанного тепла процессора для самоохлаждения компьютерных чипов и перенаправление тепла трансмиссии для охлаждения автомобильной электроники.
Источник: habr.com