Немецко-японская команда разработала твердотельную систему охлаждения на отходящем тепле, достигнув разницы температур в 4 °C

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Цукубы (Япония) продемонстрировала прототип твердотельной системы охлаждения, которая приводится в действие теплом, а не электричеством. Система использует тонкоплёночные сплавы с эффектом памяти формы для преобразования тепловой энергии в механическую работу, которая затем превращается в измеримый холод, открывая новый путь к охлаждению с использованием отходящего тепла и солнечной энергии. Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.

Холодильники, кондиционеры и центры обработки данных полагаются на электрические компрессоры, которые переносят тепло, переносимое хладагентом, с одного конца на другой — этот базовый принцип работы используется уже более ста лет. При этом на охлаждение и отопление в совокупности приходится почти половина мирового потребления энергии, а многие распространённые хладагенты сами по себе усиливают глобальное потепление. Эластокалорическое твердотельное охлаждение рассматривается как перспективная альтернатива: сплавы с эффектом памяти формы охлаждаются после снятия предварительно приложенной механической нагрузки. Однако прежние эластокалорические системы по-прежнему требовали электрических приводов для создания необходимого усилия и поэтому не могли напрямую использовать такие широкодоступные источники тепла, как отходящее тепло или солнечная энергия.

Исследовательская группа объединила два слоя сверхтонких никель-титановых плёнок с взаимодополняющими функциями. Первый слой плёнки использует эффект памяти формы: при нагреве он сокращается, напрямую преобразуя тепловую энергию в механическую работу без электродвигателя; это движение затем передаётся второму слою плёнки, который за счёт циклического приложения и снятия нагрузки вызывает обратимые изменения кристаллической структуры, производя холод. Таким образом, тепло заменило электрический привод, который ранее приводил в действие эластокалорические системы охлаждения.

Доктор Цзинъюань Сюй, руководитель молодёжной исследовательской группы ZEco Thermal Lab Института микроструктурных технологий (IMT) Технологического института Карлсруэ, объясняет, что ключевая инновация заключается в объединении двух взаимодополняющих функций сплава с эффектом памяти формы: одна плёнка преобразует тепло в механическую работу, а другая превращает эту работу в холод. Такой подход устанавливает новый метод приведения в действие твердотельного охлаждения, открывая новые возможности для использования отходящего тепла и солнечной энергии.

При температуре привода 86 °C прототип системы достиг разницы температур в 4 °C на уровне компонентов, а изменение температуры эластокалорического хладагента приблизилось к 13 °C, что позволило команде впервые экспериментально подтвердить осуществимость данной концепции. Устройство также стабильно работало при подаче внешнего тепла с температурой 130 °C, что демонстрирует способность системы функционировать на реальных источниках тепла. Первый автор статьи, аспирант IMT И-Тин Сяо, отмечает, что решающим моментом стало измерение холода, действительно произведённого системой с тепловым приводом, что доказывает: этот принцип работает не только в теории.

Текущее устройство спроектировано в соответствии с целями исследования осуществимости и ещё не оптимизировано для максимальной холодопроизводительности. Команда работает над параллельным соединением многослойных плёнок для повышения холодопроизводительности. Потенциальные применения охватывают несколько направлений, включая охлаждение компьютерных чипов за счёт собственного отходящего тепла процессора, а также охлаждение чувствительных электронных компонентов в автомобилях за счёт тепла силовой установки. Исследование выполнено в сотрудничестве с Университетом Цукубы (Япония). Команда считает, что это только начало: расширяя данную технологию, можно разработать компактные системы охлаждения, использующие широкодоступные источники тепла для устойчивого охлаждения.