Учёные создали систему которая превращает избыточное тепло в холод без электричества

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии и Университета Цукубы в Японии разработали систему твёрдотельного охлаждения, которая работает без электродвигателя и использует для работы окружающее тепло, избыточное тепло или солнечную энергию. По словам разработчиков, это первая система эластокалорического охлаждения, полностью приводимая в действие теплом.

В основе устройства находятся две сверхтонкие плёнки из никель-титановых сплавов с памятью формы. Они выполняют разные функции: первая плёнка преобразует тепло в механическую работу, а вторая превращает эту механическую работу в охлаждение. Благодаря такому сочетанию системе не требуется электрический двигатель для создания механического усилия.

«Ключевая инновация заключается в том, что мы объединили две взаимодополняющие функции сплавов с памятью формы: одна плёнка преобразует тепло в механическую работу, а другая превращает эту работу в холод», — объяснил руководитель исследовательской группы ZEco Thermal Lab Института микроструктурных технологий KIT доктор Цзинъюань Сюй.

Охлаждение и отопление в совокупности потребляют почти половину мировой энергии. Одновременно используемые в холодильных установках химические хладагенты могут попадать в атмосферу, усиливая воздействие на климат.

Эластокалорические материалы ранее рассматривались как более экологичная альтернатива традиционным технологиям охлаждения. Такие сплавы способны нагреваться и охлаждаться при механической деформации. Однако первые экспериментальные системы всё равно требовали электричества для создания механического усилия, необходимого для растяжения материала.

Новая конструкция позволяет отказаться от электрического привода. Первая плёнка работает как внутренний тепловой привод. При нагревании сплав с памятью формы резко сокращается, непосредственно превращая тепловую энергию в механическую работу. Возникающее усилие растягивает вторую плёнку, которая выполняет функцию холодильного элемента.

После снятия механической нагрузки во второй плёнке происходят обратимые структурные изменения. Они сопровождаются резким снижением температуры материала, благодаря чему тепло используется для создания охлаждающего эффекта.

В прототипе использована плёнка-актуатор толщиной 22 микрометра из никель-титанового сплава с односторонним эффектом памяти формы. Её дополняет холодильная плёнка толщиной 26,5 микрометра из сверхэластичного никель-титанового сплава.

Миниатюрный актуатор продемонстрировал высокое отношение силы к перемещению — 14,5 Н/мм. По данным исследователей, этот показатель более чем в десять раз превышает характеристики сопоставимых коммерческих электромеханических актуаторов.

Первые эксперименты подтвердили работоспособность концепции. При нагреве актуатора до 86 °C температура отдельного компонента системы снизилась примерно на 4 °C, а температура самого эластокалорического материала уменьшилась почти на 13 °C.

Прототип также надёжно работал при использовании внешних источников тепла с температурой до 130 °C. Это показывает, что систему потенциально можно подключать к источникам тепла, которые уже существуют в окружающей среде или образуются в результате работы оборудования.

«Решающим моментом для нас стало измерение холода, который действительно удалось получить с помощью системы, работающей от тепла. Это показало, что предложенный принцип работает не только в теории», — рассказала первый автор исследования И-Тин Сяу, аспирант Института микроструктурных технологий KIT.

Согласно результатам исследования, эластокалорическая технология может достигать до 84 процентов от максимально возможной теоретической эффективности охлаждения. Это значительно выше показателей, характерных для некоторых существующих компактных термоэлектрических систем охлаждения.

Пока прототип предназначен главным образом для проверки принципа работы. Чтобы увеличить производительность системы, исследователи планируют объединять несколько металлических плёнок, работающих параллельно. Это позволит увеличить количество тепла, которое система сможет преобразовывать в охлаждение.

Одним из перспективных вариантов применения может стать охлаждение компьютерных процессоров за счёт тепла, которое они сами выделяют. Вместо того чтобы просто отводить это тепло, система потенциально сможет использовать его как источник энергии для собственного охлаждения.

Другим возможным применением является автомобильная электроника. Тепло, выделяемое силовой установкой электромобиля, в перспективе можно использовать для охлаждения чувствительных электронных компонентов.

Таким образом, разработанная система предлагает способ использовать тепло не только как нежелательный побочный продукт, но и как источник энергии для охлаждения. Если исследователям удастся увеличить холодопроизводительность и масштабировать конструкцию, технология может найти применение в электронике, автомобилях и других системах, где одновременно существуют источники тепла и потребность в охлаждении.