Вчені придумали, як масово випускати твердотільні холодильники — компресори відправлять на пенсію

Традиційні парокомпресійні холодильники вже не вписуються в енергетичний баланс планети — вони споживають багато енергії та використовують руйнівні для навколишнього середовища холодоагенти. Їм на зміну обіцяють прийти твердотільні холодильники, що поєднують енергоефективність, безпеку та простоту.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

Про прорив у сфері твердотільних холодильних установок на основі ефекту еластокалоричного охолодження повідомили вчені з Гонконгського університету науки і технологій (The Hong Kong University of Science and Technology, HKUST). Раніше цього року вони двічі повідомляли про успіхи, поступово просуваючись від концепції до працюючих пристроїв. Нова робота присвячена найважливішому етапу — організації недорогого та доступного виробничого процесу надійних твердотільних холодильних елементів, з чим до сьогоднішнього дня були проблеми.

Нагадаємо, еластокалоричне охолодження — це явище, при якому тепло поглинається та виділяється в результаті оборотного фазового переходу сплавів з пам'яттю форми. На відміну від традиційних холодильних установок, що використовують компресор і циркулюючий холодоагент, ця технологія базується на механічному деформуванні твердого матеріалу. Деформація незначно зміщує кристалічну решітку матеріалу і призводить до виділення або поглинання тепла під час механічного впливу на метал і його зворотного самостійного «випрямлення».

Джерело зображень: HKUST

Цей ефект відомий давно. Однак було важко поєднати довговічну механічну міцність твердотільного елемента з простотою його виробництва. Конструкція виходила або недовговічною, або надзвичайно складною та дорогою у виготовленні. Розробка вчених з Гонконга продемонструвала здатність витримувати деформації протягом 100 млн циклів, що відповідає 10 рокам безперервної роботи в штатних умовах. Виготовлення елементів холодильного вузла вдалося налагодити за допомогою простої штамповки, що дозволяє суттєво знизити витрати.

Основна особливість конструкції твердотільного холодильного елемента — структура, натхненна бджолиними сотами. Вчені запропонували технологію штамповки та укладки: тонкі листи сплаву NiTi з пам'яттю форми спочатку пробиваються у вигляді груп сот, а потім з них вирізаються невеликі пластинки. Після цього пластинки з сотоподібними отворами укладаються одна на одну, утворюючи трубчасту конструкцію.

Така архітектура збільшує площу теплообміну, а зазори між окремими елементами не дають тріщинам в одному з них поширюватися вздовж усієї конструкції. На відміну від традиційних цільних тонкостінних елементів, нова структура менш піддається поздовжньому руйнуванню та втраті стійкості при багаторазових механічних навантаженнях.

Метод штамповки дозволяє випускати до 100 пористих елементів на хвилину — більш ніж у 100 разів швидше, ніж традиційна електроерозійна різка проволочним електродом (WEDM). За оцінкою розробників, це знижує виробничі витрати на 95 %. На основі нової конструкції дослідники зібрали експериментальний холодильний модуль довжиною всього 30 мм, що складається з 200 елементів NiTi. Прототип продемонстрував максимальний температурний перепад 11,7 К (11,7 °C) та питому продуктивність при охолодженні 3,85 Вт/г. Це можна порівняти з ситуацією, коли звичайний 600-Вт холодильник охолоджує елемент масою близько 150 г.

На завершення зробимо важливу заувагу: вчені показали лише охолоджуючий елемент. Для його перетворення в повноцінний холодильник необхідно розробити систему регулювання подачі теплоносія, точно узгоджену з фазами переходу сплаву з одного стану в інше (власний нагрів та поглинання тепла), а також механічний привід для циклічної деформації охолоджуючого елемента. У найпростішому випадку це може бути, наприклад, електричний двигун з ексцентриком. На вирішення цих завдань вчені обіцяють спрямувати зусилля в ході подальших розробок.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки