Обычно, когда речь заходит об охлаждении, мы представляем компрессор, вентилятор или другой механизм, которому требуется электричество. Но исследователи из Карлсруэского технологического института (KIT) и Университета Цукубы предложили необычную альтернативу: систему, в которой тепло само приводит в действие процесс охлаждения.
Разработанный ими прототип использует две тонкие плёнки из сплавов с эффектом памяти формы. Одна превращает тепловую энергию в механическое движение, а вторая использует это движение для создания холода. Таким образом, электрический двигатель, который обычно приводит в действие эластокалорическую систему охлаждения, становится не нужен.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Energy. Авторы рассматривают технологию прежде всего как способ использовать бросовое тепло и солнечную тепловую энергию для охлаждения.
Как тепло превращается в холод
В основе разработки лежит эластокалорический эффект. Некоторые материалы при механическом растяжении или сжатии способны изменять свою температуру. В частности, сплавы с памятью формы могут заметно охлаждаться после снятия механической нагрузки.
Это давно привлекает внимание исследователей как потенциальная альтернатива традиционным холодильным установкам. Здесь не требуется хладагент, циркулирующий между компрессором, испарителем и конденсатором: вместо этого тепло переносится непосредственно твёрдым материалом.
Но у технологии существовала проблема. Чтобы периодически растягивать и освобождать эластокалорический материал, требовался привод — обычно электрический. Получалась несколько парадоксальная ситуация: система должна была быть способом экономить энергию, но сама нуждалась в электричестве для механического привода.
Новая разработка устраняет именно это слабое место.
Две плёнки с разными задачами
Прототип состоит из двух сверхтонких плёнок, изготовленных на основе никель-титановых сплавов.
Первая плёнка — термический привод. При нагревании она использует эффект памяти формы и начинает сокращаться. Иными словами, нагрев вызывает механическое движение.
Вторая плёнка выполняет роль холодильного элемента. Получив механическое усилие от первой, она циклически нагружается и разгружается. При изменении механического состояния в её кристаллической структуре происходят обратимые фазовые превращения, сопровождающиеся изменением температуры. Именно этот процесс и создаёт охлаждение.
Получается своеобразная цепочка преобразований:
тепло → механическое движение → изменение структуры материала → холод.
По словам руководителя исследования Цзинъюаня Сюй (Jingyuan Xu), ключевая идея заключается в объединении двух функций сплавов с памятью формы: одна плёнка превращает тепло в механическую работу, а другая — эту работу в охлаждение.
Почему выбрали именно тонкие плёнки
Для такой системы важен не только сам материал, но и скорость передачи тепла. Исследователи использовали плёнки толщиной всего несколько десятков микрометров. Чем тоньше материал, тем больше у него отношение площади поверхности к объёму, а значит, тем быстрее он может нагреваться и охлаждаться.
В приводном элементе использовалась плёнка TiNi толщиной 22 мкм, а в холодильном — сверхэластичная плёнка TiNiFe толщиной 26,5 мкм. Между ними установлен механический элемент связи, который передаёт движение от привода к холодильному материалу.
Конструкция специально рассчитана на циклическую работу: одна плёнка нагревается, сокращается и создаёт усилие; затем процесс повторяется. Благодаря этому система способна непрерывно преобразовывать поступающее тепло в охлаждение.
Эксперимент подтвердил принцип
Лабораторный прототип уже смог продемонстрировать измеримый эффект. При нагреве приводной плёнки до 86 °C температура самого эластокалорического холодильного материала менялась почти на 13 °C. На уровне всего устройства исследователи получили перепад температур около 4 °C.
Ещё важнее то, что систему испытали не только с электрическим нагревом. В эксперименте использовался внешний источник тепла температурой 130 °C, и устройство сохранило работоспособность, обеспечив перепад температур примерно 2,2 °C на уровне системы. Это подтверждает саму возможность приводить эластокалорическое охлаждение в действие внешним теплом.
При этом нынешний прототип не следует воспринимать как готовый холодильник. Учёные специально отмечают, что экспериментальная установка создавалась прежде всего для проверки принципа, а не для получения максимальной мощности охлаждения.
Где пригодится охлаждение от бросового тепла
Главная привлекательность технологии становится очевидной там, где одновременно присутствуют тепло и потребность в охлаждении.
Один из потенциальных вариантов — центры обработки данных. Компьютерные процессоры выделяют огромное количество тепла, которое обычно приходится отводить с помощью электрических систем охлаждения. В будущем часть этого тепла теоретически можно было бы использовать как источник энергии для дополнительного охлаждающего цикла.
Похожий принцип может найти применение в автомобилях: нагревающиеся элементы силовой установки могут одновременно стать источником энергии для охлаждения чувствительной электроники.
Ещё один вариант — использование солнечной тепловой энергии. В отличие от солнечных панелей, которые сначала превращают свет в электричество, а затем электричество используется для работы холодильной установки, здесь солнечное тепло можно было бы непосредственно использовать для запуска охлаждающего цикла.
Без компрессора и традиционного хладагента
У такой технологии есть ещё одно важное преимущество: она относится к твёрдотельному охлаждению.
Современные холодильники и кондиционеры в основном используют парокомпрессионный цикл. Компрессор сжимает хладагент, после чего система переносит тепло из охлаждаемого объёма наружу. Такой подход хорошо отработан, но требует механических компонентов и хладагентов, часть которых оказывает существенное воздействие на климат.
Эластокалорическое охлаждение предлагает совершенно другую архитектуру. В нём рабочим материалом становится твёрдый сплав, который изменяет свои тепловые свойства под механической нагрузкой. Нет необходимости в традиционном компрессоре и циркуляции хладагента.
Однако это не означает, что новая система уже превосходит обычные холодильные установки. Её нынешняя мощность охлаждения очень мала, а для практического применения необходимо значительно увеличить производительность и обеспечить долговечность материалов при огромном количестве повторяющихся циклов.
Следующий шаг — масштабирование
Исследователи уже рассматривают способ увеличить мощность системы: вместо одной пары плёнок можно соединять множество элементов параллельно.
Это принципиально важно. Пока эксперимент демонстрирует прежде всего работоспособность концепции, а не готовое устройство для охлаждения помещения или мощного компьютера. Чтобы перейти от лабораторного прототипа к практической системе, необходимо увеличить количество одновременно работающих плёнок, оптимизировать теплообмен и повысить скорость циклов.
Тем не менее сама идея выглядит необычно перспективной. В традиционной системе тепло является проблемой, которую приходится отводить. Здесь же оно может стать частью решения: отработанное тепло не просто выбрасывается, а используется для запуска процесса охлаждения.
Если дальнейшие исследования позволят масштабировать технологию, такой подход может найти применение в компактной электронике, автомобильных системах и центрах обработки данных, а также в установках, работающих от промышленного или солнечного тепла. Пока это только первый прототип, но он демонстрирует любопытный принцип: иногда для производства холода совсем не обязательно тратить электричество — достаточно правильно заставить работать само тепло.
