ما نمیتوانیم با تاریکی اتاقی را روشن یا با خیسکردن حوله آن را خشک کنیم. همچنین قطعاً نمیتوان با گرما چیزی را خنک کرد. بااینحال، دانشمندان یک سامانه سرمایش حالتجامد ساختهاند که میتواند از گرما برای تولید سرما استفاده کند؛ فناوریای که در آینده ممکن است به پردازندهها و دیگر تجهیزات الکترونیکی داغ اجازه دهد بخشی از گرمای اتلافی خود را برای خنکسازی مجدداً به کار بگیرند.
بهگزارش نیواطلس، پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه در آلمان (KIT) و دانشگاه تسوکوبا در ژاپن، خنککننده آزمایشی خود را با اتصال دو لایه فوقالعاده نازک از آلیاژهای دارای حافظه شکل (قابلیت بازگشت به شکل اولیه) ساختند. یکی از این لایهها گرما را به حرکت مکانیکی و دیگری این حرکت را به سرمایش تبدیل میکند. در واقع، گرما در این سامانه کاری را انجام میدهد که معمولاً بر عهده موتور یا محرک الکتریکی است؛ همان قطعهای که چرخه سرمایش را به حرکت درمیآورد.
بیشتر یخچالها و سیستمهای تهویه مطبوع از سرمایش تراکمی استفاده میکنند. یک کمپرسور الکتریکی، گاز مبرد را فشرده میکند و در نتیجه فشار و دمای آن افزایش مییابد. مبرد داغ سپس گرمای خود را به محیط اطراف پس میدهد و بعد از عبور از شیر انبساطی، فشار و دمایش کاهش پیدا میکند. مبرد اکنون میتواند گرمای یخچال، اتاق یا فضای دیگری را که قرار است خنک شود جذب کند و سپس برای تکرار چرخه به کمپرسور بازگردد.
سرمایش حالتجامد مسیر متفاوتی را دنبال میکند. این فناوری بهجای استفاده از کمپرسور برای بهگردشدرآوردن مبرد و ایجاد چرخههای مکرر تغییر فاز گاز و مایع، از موادی بهره میگیرد که دمایشان در پاسخ به محرک خارجی تغییر میکند. برای مثال، خنککنندههای ترموالکتریک پلتیر با استفاده از جریان الکتریکی، گرما را در سرتاسر پیوندهای نیمهرسانا جابهجا میکنند. مواد مغناطوکالریک به میدانهای مغناطیسی و مواد الکتروکالریک به میدانهای الکتریکی واکنش نشان میدهند.
نوع دیگری از سرمایش حالتجامد، خنکسازی الاستوکالریک است که در آن سرمایش با اعمال تنش مکانیکی ایجاد میشود.
برخی آلیاژهای دارای حافظه شکل، از جمله مواد مبتنی بر نیکل-تیتانیوم، هنگام کشیده یا فشردهشدن ساختار بلوری خود را تغییر میدهند. اعمال نیرو به ماده میتواند باعث تبدیل آن از فاز بلوری جامد به فاز جامد دیگری شود و در این فرایند گرما آزاد کند. اگر اجازه دهیم گرما از ماده خارج شود و سپس نیروی واردشده را برداریم، یک تغییر فاز معکوس رخ میدهد که گرما را جذب میکند و در نتیجه ماده سردتر میشود. تکرار این چرخه، آلیاژ را به مبرد حالتجامد تبدیل میکند.
- 19 اسفند 03مطالعه '24
- 02 مهر 04مطالعه '2
بااینحال، الاستوکالریک یک مشکل نسبتاً مهم دارد: چیزی باید مدام مبرد را بکشد و رها کند. نمونههای اولیه سرمایش با این روش، معمولاً از موتورهای الکترومکانیکی یا محرکهای هیدرولیکی برای ایجاد نیروهای چشمگیر موردنیاز جهت تغییر شکل مکرر آلیاژهای دارای حافظه شکل استفاده میکنند. بنابراین، اگرچه خود مبرد جامد است، سامانه سرمایش همچنان برای کارکردن به سامانه محرک با نیروی الکتریکی نیاز دارد.
راهکار تیم مؤسسه فناوری کارلسروهه و دانشگاه تسوکوبا بسیار ساده و هوشمندانه است: از یک آلیاژ دارای حافظه شکل دیگر برای بهحرکتدرآوردن آلیاژ اول استفاده کنید. نمونه اولیه آنها شامل یک لایه تیتانیوم-نیکل (TiNi) با ضخامت ۲۲ میکرومتر است که نقش محرک حرارتی را ایفا میکند و بهصورت مکانیکی به لایهای از تیتانیوم-نیکل-آهن (TiNiFe) با ضخامت ۲۶٫۵ میکرومتر متصل شده است. لایه دوم نقش مبرد را دارد.
سرمایش حالتجامد بهجای استفاده از کمپرسور برای بهگردشدرآوردن مبرد و ایجاد چرخههای مکرر تغییر فاز گاز و مایع، از موادی بهره میگیرد که دمایشان در پاسخ به محرک خارجی تغییر میکند
محرک TiNi هنگام گرمشدن منقبض میشود. وقتی گرما از آن گرفته شود، به شکل از پیش تعیینشده خود بازمیگردد و مبرد TiNiFe را میکشد. این کشش باعث تغییر فاز ناشی از تنش در مبرد میشود و در نتیجه مبرد گرما آزاد میکند. پس از آنکه گرما به گرماگیر منتقل شد، محرک سرد و آزاد میشود. با کاهش نیروی واردشده به مبرد، ساختار بلوری آن به حالت قبلی بازمیگردد و مبرد گرما را جذب میکند و سرد میشود.
جینگیوان شو، سرپرست گروه پژوهشگران جوان در آزمایشگاه ZEco Thermal در مؤسسهی فناوری کارلسروهه میگوید نوآوری محوری این دستاورد، تلفیق دو قابلیت مکمل در آلیاژهای حافظهدار است؛ بهگونهای که یک لایه حرارت را به کار مکانیکی تبدیل میکند و لایهی دیگر، این کار را به سرما تغییر میدهد.
بااینحال، دستاورد پژوهش هنوز عمدتاً در مرحله اثبات ایده است است. پژوهشگران در آزمایش نشان دادهاند که گرما بهتنهایی میتواند نیروی محرک مکانیکی مورد نیاز برای اجرای چرخه سرمایش الاستوکالریک را تأمین کند. مؤسسه فناوری کارلسروهه سختافزار فعلی را یک نمونه امکانسنجی توصیف میکند که هنوز برای دستیابی به حداکثر ظرفیت سرمایشی بهینهسازی نشده است.
یافتههای پژوهش در مجلهی Nature Energy منتشر شده است.
