Новая система охлаждения состоит из двух никель-титановых пленок: термочувствительная пленка приводит в движение вторую пленку, которая обеспечивает охлаждение. Источник: концепция И-Тин Сяу и Цзинъюаня Сю, KIT; визуальный дизайн Ella Maru Studio

Исследователи разработали первую в мире эластокалорическую систему охлаждения, использующую отработанное тепло и солнечную энергию для обеспечения устойчивого охлаждения.

Система охлаждения, работающая непосредственно за счет тепла, а не электродвигателя, прошла лабораторные испытания. Это возможный способ превратить отработанное тепло или солнечную энергию в охлаждающий элемент. Прототип, разработанный исследователями из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Цукуба, использует две ультратонкие никель-титановые пленки, которые преобразуют тепло сначала в механическое движение, а затем в холод.

Эта концепция устраняет ограничения эластокалорического охлаждения — новой твердотельной альтернативы традиционному охлаждению. Сплавы с памятью формы охлаждаются при снятии приложенной к ним механической нагрузки, но существующим эластокалорическим системам для создания этой нагрузки по-прежнему требуются приводы с электрическим питанием. В новой конструкции для запуска процесса используется само тепло.

Это различие имеет значение, поскольку на охлаждение и обогрев приходится почти половина мирового потребления энергии, а спрос продолжает расти. Обычные холодильники, кондиционеры и центры обработки данных уже более ста лет используют компрессоры, работающие от электричества, которые переносят тепло с помощью хладагентов, многие из которых также способствуют глобальному потеплению.

Тепло заменяет электрический привод

В системе используются две никель-титановые пленки, выполняющие разные функции. При нагревании первая пленка сжимается за счет эффекта памяти формы, преобразуя тепловую энергию непосредственно в механическую работу без использования электродвигателя.

Это движение воздействует на вторую пленку. Повторяющиеся циклы нагрузки и разгрузки вызывают обратимые изменения в ее кристаллической структуре, которые приводят к охлаждению. По сути, первая пленка заменяет привод с электрическим управлением, который ранее требовался в эластокалорических системах.

«Ключевое новшество заключается в том, что мы объединяем две взаимодополняющие функции сплавов с памятью формы: одна пленка преобразует тепло в механическую работу, а другая — эту работу в холод, — говорит доктор Цзинъюань Сюй, руководитель группы молодых исследователей в лаборатории ZEco Thermal в Институте микроструктурных технологий (IMT) при KIT. — Таким образом, мы разрабатываем новый подход к твердотельному охлаждению, открывая тем самым захватывающие возможности для использования отработанного тепла и солнечной энергии».

Прототип доказывает, что тепло может генерировать охлаждение

В ходе экспериментов прототип обеспечил измеримое охлаждение. При температуре привода 86 °C (187 °F) разница температур на уровне компонентов составила 4 °C (7,2 °F), а температура эластокалорического хладагента изменилась почти на 13 °C (23,4 °F).

Система также надежно работала при использовании внешнего источника тепла с температурой 130 °C (266 °F), демонстрируя, что эта концепция может быть реализована с использованием реальных источников тепла.

«Решающим моментом для нас стало то, что мы смогли измерить холод, который действительно был создан системой, использующей тепло», — сказал И-Тин Сяу, ведущий автор исследования и аспирант IMT. «Это показало нам, что принцип работает не только в теории».

Масштабирование может расширить возможности практического применения охлаждения

Нынешнее устройство было создано для демонстрации осуществимости идеи, а не для достижения максимальной охлаждающей способности. Сейчас исследователи работают над параллельным подключением нескольких пленок, чтобы увеличить охлаждающую способность системы.

Среди возможных областей применения — компьютерные процессоры, которые используют собственное отработанное тепло для охлаждения, и чувствительная автомобильная электроника, охлаждаемая за счет тепла от трансмиссии.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Университетом Цукуба в Японии. В конечном итоге команда надеется масштабировать этот подход для создания компактных систем, которые смогут использовать легкодоступное тепло.

«Мы считаем, что это только начало, — сказал Сюй. — Масштабируя эту технологию, мы хотим разработать компактные системы охлаждения, которые будут использовать широко доступные источники тепла для экологичного охлаждения».