Традиционные парокомпрессионные холодильники уже не вписываются в энергетический баланс планеты — они потребляют много энергии и используют разрушающие окружающую среду хладагенты. Им на смену обещают прийти твердотельные холодильники, сочетающие энергоэффективность, безопасность и простоту.
Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews
О прорыве в сфере твердотельных холодильных установок на основе эффекта эластокалорического охлаждения сообщили учёные из Гонконгского университета науки и технологий (The Hong Kong University of Science and Technology, HKUST). Ранее в этом году они дважды сообщали об успехах, постепенно продвигаясь от концепции к работающим устройствам. Новая работа посвящена самому важному этапу — организации недорогого и доступного производственного процесса надёжных твердотельных холодильных элементов, с чем до сегодняшнего дня были проблемы.
Напомним, эластокалорическое охлаждение — это явление, при котором тепло поглощается и выделяется в результате обратимого фазового перехода сплавов с памятью формы. В отличие от традиционных холодильных установок, использующих компрессор и циркулирующий хладагент, эта технология основана на механическом деформировании твёрдого материала. Деформация незначительно смещает кристаллическую решётку материала и ведёт к выделению или поглощению тепла при механическом воздействии на металл и его обратном самостоятельном «распрямлении».
Источник изображений: HKUST
Этот эффект известен давно. Однако трудно было совместить долговременную механическую прочность твердотельного элемента с простотой его производства. Конструкция получалась либо недолговечной, либо крайне сложной и дорогой в изготовлении. Разработка учёных из Гонконга продемонстрировала способность выдерживать деформации в течение 100 млн циклов, что соответствует 10 годам непрерывной работы в штатных условиях. Изготовление элементов холодильного узла удалось наладить с помощью простой штамповки, что позволяет существенно снизить затраты.
Основная особенность конструкции твердотельного холодильного элемента — структура, вдохновлённая пчелиными сотами. Учёные предложили технологию штамповки и укладки: тонкие листы сплава NiTi с памятью формы сначала пробиваются в виде групп сот, а затем из них высекаются небольшие пластинки. После этого пластинки с сотоподобными отверстиями укладываются друг на друга, образуя трубчатую конструкцию.
Такая архитектура увеличивает площадь теплообмена, а зазоры между отдельными элементами не дают трещинам в одном из них распространяться вдоль всей конструкции. В отличие от традиционных цельных тонкостенных элементов, новая структура менее подвержена продольному разрушению и потере устойчивости при многократных механических нагрузках.
Метод штамповки позволяет выпускать до 100 пористых элементов в минуту — более чем в 100 раз быстрее, чем традиционная электроэрозионная резка проволочным электродом (WEDM). По оценке разработчиков, это снижает производственные затраты на 95 %. На основе новой конструкции исследователи собрали экспериментальный холодильный модуль длиной всего 30 мм, состоящий из 200 элементов NiTi. Прототип продемонстрировал максимальный температурный перепад 11,7 К (11,7 °C) и удельную производительность при охлаждении 3,85 Вт/г. Это можно сравнить с ситуацией, когда обычный 600-Вт холодильник охлаждает элемент массой около 150 г.
В заключение сделаем важную оговорку: учёные показали только охлаждающий элемент. Для его превращения в полноценный холодильник необходимо разработать систему регулирования подачи теплоносителя, точно согласованную с фазами перехода сплава из одного состояния в другое (собственный нагрев и поглощение тепла), а также механический привод для циклической деформации охлаждающего элемента. В простейшем случае это может быть, например, электрический двигатель с эксцентриком. На решение этих задач учёные обещают направить усилия в ходе дальнейших разработок.