El enfriamiento de estado sólido se logra a través de la tensión inducida por el campo eléctrico

Investigadores en China han demostrado que aplicar tensión a un material compuesto usando un campo eléctrico induce un efecto calórico grande y reversible. Esta nueva forma de mejorar el efecto calórico sin un campo magnético podría abrir nuevas vías de enfriamiento de estado sólido y conducir a refrigeradores más livianos y con mayor eficiencia energética.

El Instituto Internacional de Refrigeración estima que 20% de toda la electricidad utilizada a nivel mundial se gasta en refrigeración por compresión de vapor, que es la tecnología utilizada en los refrigeradores y acondicionadores de aire convencionales. Además, los refrigerantes utilizados en estos sistemas son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen significativamente al calentamiento global. Como resultado, los científicos están tratando de desarrollar sistemas de refrigeración más amigables con el medio ambiente.

Los sistemas de enfriamiento también se pueden fabricar a partir de sistemas completamente de estado sólido, pero actualmente no pueden competir con la compresión de vapor para la mayoría de las aplicaciones principales. Hoy en día, la mayoría de los sistemas de enfriamiento de estado sólido comerciales utilizan el efecto Peltier, que es un proceso termoeléctrico que tiene un alto costo y una baja eficiencia.

Campos externos

Los sistemas de refrigeración de estado sólido basados ​​en materiales calóricos ofrecen una alta eficiencia de refrigeración y cero emisiones de efecto invernadero y están surgiendo como candidatos prometedores para reemplazar la tecnología de compresión de vapor. Estos sistemas emplean un material sólido como refrigerante, que cuando se somete a un campo externo (eléctrico, magnético, tensión o presión) sufre un cambio de temperatura, fenómeno llamado efecto calórico.

Hasta ahora, la mayor parte de las investigaciones sobre sistemas de refrigeración calórica de estado sólido se han centrado en refrigerantes magnéticos. Sin embargo, los refrigerantes prácticos deben exhibir un efecto calórico significativo cerca de la temperatura ambiente y dichos materiales generalmente son difíciles de encontrar. Un material potencial es Mn.₃SnC, que muestra un efecto calórico significativo cuando se expone a campos magnéticos superiores a 2 T. Pero emplear un campo magnético tan alto requiere el uso de imanes caros y voluminosos, lo que no es práctico.

Ahora, Pengwu y colegas de la Universidad ShanghaiTech, el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai, la Universidad de la Academia China de Ciencias y la Universidad Jiaotong de Beijing han eliminado la necesidad de imanes combinando un Mn₃Capa de SnC con una capa piezoeléctrica de titanato de circonato de plomo (PZT).

Eliminando los imanes

En una serie de experimentos descritos en Acta Materialía, el equipo observó un efecto calórico reversible sin necesidad de un campo magnético. El cambio de temperatura adiabático logrado fue alrededor del doble del medido para Mn₃SnC en presencia de un campo magnético de 3 T.

El efecto calórico se observó aplicando un campo eléctrico al material, que induce tensión en el PZT a través del efecto piezoeléctrico inverso. La deformación se transfiere de la capa de PZT a la de Mn₃Capa SnC, que da como resultado un cambio en el orden magnético del Mn₃SnC. Esto provoca una caída de temperatura de hasta 0.57 K en el material. Cuando se elimina el campo eléctrico, la temperatura aumenta en el mismo valor.

Wu dice Mundo de la física que obtuvo esta idea de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), que a menudo utilizan materiales piezoeléctricos para su accionamiento. Según Wu, el uso de tensión mediada por un campo eléctrico podría ayudar a eliminar la necesidad de imanes grandes y costosos, creando un sistema de refrigeración más eficiente y sostenible.

Medida desafiante

El efecto calórico se mide estimando el cambio adiabático de temperatura o el cambio de entropía isotérmica. Tanto en la industria como en la investigación, el cambio de temperatura es el método preferido. Si bien este es un experimento sencillo para materiales puros a granel, es extremadamente difícil de realizar con un material compuesto basado en un dispositivo que está sujeto a un campo eléctrico.

Para realizar la medición, Wu y sus colegas utilizaron un sistema equipado con una sonda de termopar conectada al Mn₃Superficie SnC en un entorno adiabático con campo magnético y temperatura controlados con precisión.

Para evaluar la precisión de su sistema de medición, los investigadores llevaron a cabo varias mediciones del efecto magnetocalórico en el rango de temperatura de 275 a 290 K. Pudieron monitorear cambios de temperatura de hasta 0.03 K, verificando así la capacidad de temperatura de alta resolución del sistema.

Wu cree que el trabajo del equipo es un gran avance en la medición directa del cambio de temperatura, dado el desafío de realizar una medición de temperatura adiabática mientras se aplica un voltaje al PZT. Y añade: "Este método de medición de la temperatura podría resultar útil para otros dispositivos electrónicos térmicos". Sin embargo, Wu destaca que “el sistema no es completamente adiabático; puede provocar pérdida de calor, por lo que es necesario realizar más mejoras en cualquier medición de calor”.

Interesante e inexplicable

El equipo también observó algunos fenómenos muy interesantes e inesperados durante la medición de la temperatura. “No importa si se aplica un campo eléctrico positivo o negativo, la temperatura de la superficie de Mn₃La SnC siempre disminuye”, afirma Wu. Los investigadores también descubrieron que al aplicar un campo magnético al compuesto, la temperatura de la superficie del Mn₃SnC aumenta, mientras que la aplicación de un campo eléctrico hace lo contrario y provoca una reducción de la temperatura. Wu dice que el equipo aún no comprende estas observaciones.

Los investigadores ahora tienen como objetivo estudiar la física subyacente detrás del comportamiento contrastante de Mn₃SnC/PZT bajo campos magnéticos y eléctricos. Para mejorar aún más el sistema de medición de temperatura, también están tratando de resolver el problema de la pérdida de calor.