Wie Materialien, von denen Sie noch nie gehört haben, Klimaanlagen reinigen können

Röhren und andere Komponenten eines an der University of Maryland entwickelten Prototyps für kalorische Materialien. Mit freundlicher Genehmigung: Ichiro Takeuchi

Vor einigen Jahren führten Forscher der Polytechnischen Universität von Katalonien und der Universität Cambridge eine Reihe einfacher Experimente durch, die enorme Auswirkungen auf die Kühlung und Kühlung haben könnten.

Sie platzierten Plastikkristalle aus Neopentylglykol – eine gängige Chemikalie, die zur Herstellung von Farben und Schmiermitteln verwendet wird – in eine Kammer, fügten Öl hinzu und drehten einen Kolben herunter. Als sich die Flüssigkeit verdichtete und Druck ausübte, stieg die Temperatur der Kristalle um etwa 40 °C.

Es war der größte Temperaturverschiebung, die jemals aufgezeichnet wurde Materialien unter Druck zu setzen, zumindest wenn die Ergebnisse veröffentlicht wurden ein Artikel von Nature Communications vergangenes Jahr. Und die Verringerung des Drucks hat den gegenteiligen Effekt und kühlt die Kristalle dramatisch ab.

Das Forschungsteam sagte, dass die Ergebnisse einen vielversprechenden Ansatz zum Ersetzen herkömmlicher Kältemittel hervorheben, der möglicherweise eine umweltfreundliche Kühlung ohne Leistungseinbußen liefert. Solche Fortschritte sind von entscheidender Bedeutung, da steigender Wohlstand, wachsende Bevölkerung und steigende Temperaturen den Energiebedarf der Innenkühlung bis 2050 ohne größere technologische Verbesserungen verdreifachen könnten. die Projekte der Internationalen Energieagentur .

Die Temperaturänderung in den Materialien war vergleichbar mit der, die in den Fluorkohlenwasserstoffen auftritt, die die Kühlung in Standard-Klimaanlagen und Kühlschränken antreiben. Fluorkohlenwasserstoffe sind jedoch starke Treibhausgase.

Die Arbeit basiert auf einem altbekannten Phänomen, vertraut, wenn Sie jemals einen Ballon gedehnt und an Ihre Lippen berührt haben , bei denen sogenannte kalorische Materialien unter Druck oder Belastung Wärme abgeben. In einigen Fällen reicht es auch aus, bestimmte Materialien magnetischen und elektrischen Feldern oder einer Kombination dieser Kräfte auszusetzen.

Wissenschaftler entwickeln seit Jahrzehnten magnetische Kühlschränke auf der Grundlage dieser Prinzipien, obwohl sie dazu neigen, große, starke und teure Magnete zu erfordern. Aber die Forscher machen demnach beträchtliche Fortschritte auf diesem Gebiet eine Übersichtsarbeit in Science am Donnerstag, geschrieben von Xavier Moya und N. D. Mathur, Materialwissenschaftler an der University of Cambridge, die an den oben beschriebenen Experimenten gearbeitet haben.

Forscherteams lokalisieren zahlreiche kalorische Materialien, die großen Temperaturschwankungen unterliegen, und setzen sie in Prototypen von Heiz- und Kühlgeräten ein, stellen die Autoren fest. Materialien und Geräte, die große Wärmemengen unter Verwendung von Elektrizität, Dehnung und Druck freisetzen und übertragen können – Ansätze, die erst vor etwas mehr als einem Jahrzehnt richtig Fahrt aufgenommen haben – holen bereits die Leistung ein, die durch jahrzehntelange Arbeit in der Magnettechnik erreicht wurde. basierte Kühlgeräte.

Neben der Verringerung des Bedarfs an Fluorkohlenwasserstoffen besteht die Hoffnung, dass die Technologie schließlich energieeffizienter sein könnte als herkömmliche Kühlgeräte, wenn man bedenkt, dass die freigesetzte Wärme im Verhältnis zur Menge an Energie steht, die zum Antrieb der Änderung benötigt wird. Ein entscheidender Unterschied zu dieser Technologie besteht darin, dass die Materialien in einem festen Zustand bleiben, während herkömmliche Kältemittel wie Fluorkohlenwasserstoffe durch einen Wechsel zwischen Gas- und Flüssigphase funktionieren.

Auslösen eines Phasenwechsels

So funktioniert die Technologie:

Viele Materialien zeigen unter bestimmten Kräften kleine Temperaturänderungen. Forscher haben jedoch nach Materialien gesucht, die große Verschiebungen erfahren, idealerweise mit so wenig zusätzlicher Energie wie möglich. Neben anderen Materialien haben bestimmte Metalllegierungen unter Belastung vielversprechende Ergebnisse gezeigt; einige Keramiken und Polymere sprechen gut auf elektrische Felder an; und anorganische Salze und Gummi sehen für den Druck vielversprechend aus.

Die Kräfte oder Felder richten die Atome oder Moleküle innerhalb der Materialien auf geordnetere Weise aus und bewirken eine Phasenänderung, ähnlich der, die auftritt, wenn sich frei fließende Wassermoleküle in kompakte Eiskristalle verwandeln. (Im Fall von kalorischen Materialien tritt die Phasenänderung jedoch auf, während die Materialien in einem festen Zustand verbleiben, wenn auch in einem starreren.) Dieser Prozess setzt genügend latente Wärme frei, um den Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen auszugleichen. Wenn sich die Materialien beim Freisetzen der Kräfte zurücklehnen, entsteht eine Temperaturabsenkung, die dann zur Kühlung genutzt werden kann.

Dies unterscheidet sich kaum von der Funktionsweise heutiger Kühlgeräte: Sie dekomprimieren Fluorkohlenwasserstoffe bis zu dem Punkt, an dem sie von flüssig zu gasförmig werden. Aber dieser Festkörperkühlungsansatz kann weitaus energieeffizienter sein, zumindest teilweise, weil Sie die Moleküle nicht annähernd so weit bewegen müssen, um den Phasenwechsel herbeizuführen, sagt Jun Cui, ein leitender Wissenschaftler beim Ames Laboratory.

Einzug in den Markt

Der Schlüssel zur Bereitstellung wettbewerbsfähiger kommerzieller Geräte liegt in der Identifizierung erschwinglicher Materialien, die großen Temperaturänderungen unterliegen, leicht wieder zurückkehren und längeren Zyklen dieser Änderungen standhalten, ohne zu zerbrechen (kommerzielle Kühlschränke). kann Millionen von Zyklen laufen ) und sind nicht teuer.

Bestimmte Materialien und Anwendungsfälle stehen kurz davor, den kommerziellen Markt zu erreichen, sagt Ichiro Takeuchi, Materialwissenschaftler an der University of Maryland. Er ein Unternehmen gegründet vor etwa einem Jahrzehnt Kühlgeräte aus Materialien herzustellen, die auf Stress reagieren, genannt Maryland Energy & Sensor Technology.

Seine Forschungsgruppe entwickelte einen Prototyp einer Kühlvorrichtung, die Rohre aus Nickel-Titan zusammendrückt und freigibt, um Erwärmung und Kühlung zu induzieren. Wasser, das durch die Rohre fließt, nimmt in der Anfangsphase Wärme auf und gibt sie ab, und der Prozess läuft dann umgekehrt ab, um Wasser zu kühlen, das zum Kühlen eines Containers oder Wohnraums verwendet werden kann.

Der von der Forschungsgruppe von Ichiro Takeuchi entwickelte Prototyp eines Kühlgeräts.

MIT FREUNDLICHKEIT: ICHIRO TAKEUCHI

Das Unternehmen plant, aus einem nicht spezifizierten, aber kostengünstigeren Material als erstes Produkt einen Weinkühlschrank herzustellen, der nicht die gleiche Kühlleistung wie ein großer Kühlschrank oder eine Fensterklimaanlage benötigt.

Moya, einer der Autoren des Science Papers, hat vor etwa anderthalb Jahren sein eigenes Startup mitgegründet. Barock , mit Sitz in Cambridge, England, hat einen Wärmepumpen-Prototypen entwickelt, der sich darauf stützt Plastikkristalle die mit Neopentylglykol verwandt sind, aber besser, sagt er.

Insgesamt wurden etwa ein Dutzend Startups gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren, und eine Reihe bestehender Unternehmen, darunter der chinesische Haushaltsgeräteriese Haier und die Astronautics Corporation of America , haben ihr Potenzial ebenfalls erkundet.

Cui erwartet, dass wir in den nächsten fünf bis zehn Jahren einige der ersten kommerziellen Produkte sehen werden, die auf Materialien basieren, die die Temperatur als Reaktion auf Kraft und Belastung ändern, aber er sagt, dass es wahrscheinlich Jahre länger dauern wird, bis die Preise mit Standardkühlprodukten konkurrenzfähig werden .

Update: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um den Zeitpunkt der Neopentylglykol-Experimente zu verdeutlichen.

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