Hur material du aldrig har hört talas om kan städa upp luftkonditioneringen

Rör och andra komponenter i en prototyp för kalorier som utvecklats vid University of Maryland. Med tillstånd: Ichiro Takeuchi

För flera år sedan utförde forskare vid Polytechnic University of Catalonia och University of Cambridge en rad enkla experiment som kan få enorma konsekvenser för kylning och kylning.

De placerade plastkristaller av neopentylglykol - en vanlig kemikalie som används för att tillverka färger och smörjmedel - i en kammare, tillsatte olja och vevade ner en kolv. När vätskan komprimerades och applicerade tryck steg temperaturen på kristallerna med cirka 40 ˚C.

Det var största temperaturförändring som någonsin registrerats från att sätta material under press, åtminstone när resultaten publicerades i en Nature Communications-tidning förra året. Och att lindra trycket har motsatt effekt, kyler kristallerna dramatiskt.

Forskargruppen sa att resultaten belyser ett lovande tillvägagångssätt för att ersätta traditionella köldmedier, vilket potentiellt ger miljövänlig kylning utan att kompromissa med prestanda. Sådana framsteg är avgörande, eftersom ökad välstånd, växande befolkning och stigande temperaturer kan tredubbla energibehovet från inomhuskyla till 2050 utan större tekniska förbättringar, Internationella energiorganets projekt .

Temperaturförändringen i materialen var jämförbar med den som sker i de fluorkolväten som driver kylning i vanliga luftkonditioneringssystem och kylskåp. Fluorkolväten är dock kraftfulla växthusgaser.

Arbetet bygger på ett sedan länge känt fenomen, bekant om du någonsin har sträckt ut en ballong och rört den mot dina läppar , där så kallade kalorimaterial avger värme när de utsätts för tryck eller stress. Att utsätta vissa material för magnetiska och elektriska fält, eller någon kombination av dessa krafter, gör också susen i vissa fall.

Forskare har utvecklat magnetiska kylskåp baserade på dessa principer i årtionden, även om de tenderar att kräva stora, kraftfulla och dyra magneter. Men forskare gör avsevärda framsteg på området, enligt en recensionsartikel i Science på torsdag, skriven av Xavier Moya och N.D. Mathur, materialvetare vid University of Cambridge som arbetade med experimenten som beskrivs ovan.

Forskarlag pekar ut många kalorimaterial som genomgår stora temperaturskiftningar och sätter dem att fungera i prototyper för värme- och kylningsenheter, noterar författarna. Material och anordningar som kan släppa ut och överföra stora mängder värme med hjälp av elektricitet, belastning och tryck – tillvägagångssätt som verkligen tog fart med början för lite mer än ett decennium sedan – är redan ikapp den prestanda som uppnåtts genom årtionden av arbete inom magnet- baserade kylanordningar.

Förutom att minska behovet av fluorkolväten är förhoppningen att tekniken så småningom kan bli mer energieffektiv än vanliga kylanordningar, givet den värme som frigörs i förhållande till mängden energi som behövs för att driva förändringen. En kritisk skillnad med denna teknik är att materialen förblir i fast tillstånd, medan traditionella köldmedier, som fluorkolväten, fungerar genom att växla mellan gas- och flytande faser.

Utlöser en fasförändring

Så här fungerar tekniken:

Många material uppvisar små temperaturförändringar under vissa krafter. Men forskare har letat efter material som genomgår stora förändringar, helst från så lite tillsatt energi som möjligt. Bland andra material har vissa metallegeringar visat lovande resultat under påfrestning; vissa keramer och polymerer svarar bra på elektriska fält; och oorganiska salter och gummi ser lovande ut för tryck.

Krafterna eller fälten radar upp atomerna eller molekylerna i materialen på mer ordnade sätt, vilket leder till en fasförändring som liknar vad som sker när fritt rinnande vattenmolekyler förvandlas till kompakta iskristaller. (När det gäller kalorimaterial sker emellertid fasförändringen medan materialen förblir i ett fast tillstånd, fastän ett som är styvare.) Denna process frigör tillräckligt med latent värme för att ta hänsyn till energiskillnaden mellan de två tillstånden. När materialen går tillbaka när krafterna släpps ger det en temperatursänkning som sedan kan utnyttjas för kylning.

Detta skiljer sig inte mycket från hur kylanordningar fungerar idag: de dekomprimerar fluorkolväten till den grad att de byter från en vätska till en gas. Men detta tillvägagångssätt för fast tillståndskylning kan vara mycket mer energieffektivt, åtminstone delvis eftersom du inte behöver flytta molekylerna lika långt för att åstadkomma fasförändringen, säger Jun Cui, senior forskare vid Ames Laboratory.

Går in på marknaden

Nyckeln till att leverera konkurrenskraftiga kommersiella enheter är att identifiera prisvärda material som genomgår stora temperaturväxlingar, som lätt går tillbaka, tål långa cykler av dessa förändringar utan att gå sönder (kommersiella kylskåp kan köras i miljontals cykler ), och är inte dyra.

Vissa material och användningsfall närmar sig den kommersiella marknaden, säger Ichiro Takeuchi, en materialforskare vid University of Maryland. han startade ett företag att tillverka kylanordningar av material som reagerar på stress för ungefär ett decennium sedan, kallat Maryland Energy & Sensor Technology.

Hans forskargrupp utvecklade en prototyp av kylanordning som komprimerar och frigör rör gjorda av nickeltitan för att inducera uppvärmning och kylning. Vatten som rinner genom rören absorberar och avleder värme under den inledande fasen, och processen går sedan omvänt till kylvatten som kan användas för att kyla en behållare eller bostadsyta.

Prototypen av kylapparat utvecklad av Ichiro Takeuchis forskargrupp.

MED HENSYN: ICHIRO TAKEUCHI

Företaget planerar att producera en vinkylare, som inte kräver samma kyleffekt som ett stort kylskåp eller fönster AC-enhet, som en initial produkt, med ett ospecificerat men billigare material.

Moya, en av författarna till Science paper, grundade sin egen startup för ungefär ett och ett halvt år sedan. Barockal , baserat i Cambridge, England, har utvecklat en prototyp av värmepump som förlitar sig på plastkristaller som är relaterade till neopentylglykol men bättre, säger han.

Sammantaget har ett dussintal startups bildats för att kommersialisera tekniken, och ett antal befintliga företag, inklusive kinesiska hushållsapparaterjätten Haier och Astronautics Corporation of America , har också utforskat dess potential.

Cui förväntar sig att vi kommer att se några av de första kommersiella produkterna baserade på material som ändrar temperatur som svar på kraft och stress inom de kommande fem till 10 åren, men han säger att det sannolikt kommer att ta år längre för priserna att bli konkurrenskraftiga med standardkylningsprodukter .

Uppdatering: Den här historien uppdaterades för att klargöra tidpunkten för neopentylglykolexperimenten.

Dölj