Hoe materialen waar je nog nooit van hebt gehoord airconditioning kunnen opruimen

Buizen en andere componenten van een prototype van calorische materialen ontwikkeld aan de Universiteit van Maryland. Met dank aan: Ichiro Takeuchi

Enkele jaren geleden voerden onderzoekers van de Polytechnische Universiteit van Catalonië en de Universiteit van Cambridge een reeks eenvoudige experimenten uit die enorme gevolgen zouden kunnen hebben voor koeling en koeling.

Ze plaatsten plastic kristallen van neopentylglycol - een veelgebruikte chemische stof die wordt gebruikt om verven en smeermiddelen te produceren - in een kamer, voegden olie toe en lieten een zuiger naar beneden draaien. Terwijl de vloeistof samenpersde en druk uitoefende, steeg de temperatuur van de kristallen met ongeveer 40 ˚C.

Het was de grootste temperatuurverschuiving ooit gemeten van het onder druk zetten van materialen, in ieder geval toen de bevindingen werden gepubliceerd in een Nature Communications-paper afgelopen jaar. En het verlichten van de druk heeft het tegenovergestelde effect: de kristallen koelen dramatisch af.

Het onderzoeksteam zei dat de resultaten wijzen op een veelbelovende benadering voor het vervangen van traditionele koelmiddelen, waardoor mogelijk milieuvriendelijke koeling wordt geleverd zonder afbreuk te doen aan de prestaties. Dergelijke vooruitgang is van cruciaal belang, aangezien toenemende welvaart, groeiende bevolking en stijgende temperaturen de energiebehoefte van binnenkoeling tegen 2050 kunnen verdrievoudigen zonder grote technologische verbeteringen, de projecten van het Internationaal Energie Agentschap .

De temperatuurverandering in de materialen was vergelijkbaar met die in de fluorkoolwaterstoffen die de koeling in standaard airconditioningsystemen en koelkasten aandrijven. Fluorkoolwaterstoffen zijn echter krachtige broeikasgassen.

Het werk is gebaseerd op een al lang bekend fenomeen, bekend als je ooit een ballon hebt uitgerekt en tegen je lippen hebt aangeraakt , waarbij zogenaamde calorische materialen warmte afgeven wanneer ze onder druk worden gezet of gestrest. Het onderwerpen van bepaalde materialen aan magnetische en elektrische velden, of een combinatie van deze krachten, werkt in sommige gevallen ook.

Wetenschappers ontwikkelen al tientallen jaren magnetische koelkasten op basis van deze principes, hoewel ze meestal grote, krachtige en dure magneten nodig hebben. Maar onderzoekers maken aanzienlijke vooruitgang in het veld, volgens een review paper in Science op donderdag, geschreven door Xavier Moya en N.D. Mathur, materiaalwetenschappers aan de Universiteit van Cambridge die aan de hierboven beschreven experimenten hebben gewerkt.

Onderzoeksteams lokaliseren talrijke calorische materialen die grote temperatuurverschuivingen ondergaan en zetten ze aan het werk in prototype verwarmings- en koelapparaten, merken de auteurs op. Materialen en apparaten die grote hoeveelheden warmte kunnen afgeven en overdragen met behulp van elektriciteit, spanning en druk - benaderingen die pas iets meer dan tien jaar geleden echt van de grond kwamen - halen nu al de prestaties in die zijn bereikt door tientallen jaren werk in magnetische gebaseerde koelapparaten.

Naast het verminderen van de behoefte aan fluorkoolwaterstoffen, is de hoop dat de technologie uiteindelijk energiezuiniger kan zijn dan standaard koelapparatuur, gezien de warmte die vrijkomt in verhouding tot de hoeveelheid energie die nodig is om de verandering aan te drijven. Een cruciaal verschil met deze technologie is dat de materialen in vaste toestand blijven, terwijl traditionele koelmiddelen, zoals fluorkoolwaterstoffen, werken door te schakelen tussen gas- en vloeistoffasen.

Een faseverandering activeren

Zo werkt de technologie:

Veel materialen vertonen onder bepaalde krachten kleine temperatuurveranderingen. Maar onderzoekers zijn op zoek gegaan naar materialen die grote verschuivingen ondergaan, idealiter met zo min mogelijk toegevoegde energie. Onder andere materialen hebben bepaalde metaallegeringen onder spanning veelbelovende resultaten laten zien; sommige keramiek en polymeren reageren goed op elektrische velden; en anorganische zouten en rubber lijken veelbelovend voor druk.

De krachten of velden brengen de atomen of moleculen in de materialen op een meer geordende manier in een rij, waardoor een faseverandering ontstaat die vergelijkbaar is met wat er gebeurt wanneer vrijstromende watermoleculen in compacte ijskristallen veranderen. (In het geval van calorische materialen vindt de faseverandering echter plaats terwijl de materialen in een vaste toestand blijven, hoewel een die stijver is.) Bij dit proces komt voldoende latente warmte vrij om rekening te houden met het energieverschil tussen de twee toestanden. Wanneer de materialen terugkeren als de krachten worden opgeheven, produceert dit een temperatuurdaling die vervolgens kan worden benut voor koeling.

Dit verschilt niet veel van hoe koelapparaten tegenwoordig werken: ze decomprimeren fluorkoolwaterstoffen tot het punt dat ze overschakelen van een vloeistof naar een gas. Maar deze benadering van koeling in vaste toestand kan veel energiezuiniger zijn, althans gedeeltelijk omdat je de moleculen niet zo ver hoeft te verplaatsen om de faseverandering te bewerkstelligen, zegt Jun Cui, senior wetenschapper bij Ames Laboratory.

Verhuizen naar de markt

De sleutel tot het leveren van concurrerende commerciële apparaten is het identificeren van betaalbare materialen die grote temperatuurverschuivingen ondergaan, gemakkelijk terug kunnen keren, bestand zijn tegen langdurige cycli van deze veranderingen zonder kapot te gaan (commerciële koelkasten kan miljoenen cycli meegaan ), en zijn niet duur.

Bepaalde materialen en gebruiksscenario's komen bijna op de commerciële markt, zegt Ichiro Takeuchi, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Maryland. Hij een bedrijf gestart om koelapparaten te produceren van materialen die ongeveer tien jaar geleden op stress reageren, genaamd Maryland Energy & Sensor Technology.

Zijn onderzoeksgroep ontwikkelde een prototype koelapparaat dat buizen van nikkel-titanium comprimeert en vrijgeeft om verwarming en koeling op te wekken. Water dat door de buizen stroomt, absorbeert en dissipeert warmte tijdens de beginfase, waarna het proces omgekeerd wordt om water te koelen dat kan worden gebruikt om een ​​container of woonruimte te koelen.

Het prototype koelapparaat ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Ichiro Takeuchi.

Hoffelijkheid: ICHIRO TAKEUCHI

Het bedrijf is van plan om als eerste product een wijnkoeler te produceren, die niet hetzelfde koelvermogen nodig heeft als een grote koelkast of raam-AC-unit, met behulp van een niet-gespecificeerd maar goedkoper materiaal.

Moya, een van de auteurs van de Science-paper, richtte ongeveer anderhalf jaar geleden zijn eigen startup op. Barokal , gevestigd in Cambridge, Engeland, heeft een prototype van een warmtepomp ontwikkeld op basis van plastic kristallen die verwant zijn aan neopentylglycol, maar beter, zegt hij.

Alles bij elkaar zijn er een tiental startups gevormd om de technologie te commercialiseren, en een aantal bestaande bedrijven, waaronder de Chinese gigant Haier en Astronautics Corporation of America , hebben ook het potentieel ervan onderzocht.

Cui verwacht dat we binnen de komende vijf tot tien jaar enkele van de eerste commerciële producten zullen zien op basis van materialen die van temperatuur veranderen als reactie op kracht en stress, maar hij zegt dat het waarschijnlijk jaren langer zal duren voordat de prijzen concurrerend worden met standaard koelproducten .

Update: Dit verhaal is bijgewerkt om de timing van de neopentylglycol-experimenten te verduidelijken.

zich verstoppen