Kínai kutatók kimutatták, hogy a kompozit anyag elektromos térrel történő megfeszítése nagy és visszafordítható kalóriahatást vált ki. A kalóriahatás növelésének ez az új módja mágneses tér nélkül új utakat nyithat meg a szilárdtest-hűtésben, és energiahatékonyabb és könnyebb hűtőszekrényekhez vezethet.
Az International Institute of Refrigeration becslése szerint 20% A globálisan felhasznált összes villamos energia gőzkompressziós hűtésre kerül – ezt a technológiát használják a hagyományos hűtőszekrényekben és légkondicionálókban. Mi több, az ezekben a rendszerekben használt hűtőközegek erős üvegházhatású gázok, amelyek jelentősen hozzájárulnak a globális felmelegedéshez. Ennek eredményeként a tudósok környezetbarátabb hűtőrendszereket próbálnak kifejleszteni.
A hűtőrendszerek teljesen szilárdtestrendszerekből is készülhetnek, de ezek jelenleg nem versenyeznek a gőzsűrítéssel a legtöbb általános alkalmazás esetében. Manapság a legtöbb kereskedelmi forgalomban lévő szilárdtest-hűtőrendszer a Peltier-effektust alkalmazza, amely egy termoelektromos eljárás, amely magas költségekkel és alacsony hatékonysággal küzd.
Külső mezők
A kalóriatartalmú anyagokon alapuló szilárdtest-hűtési rendszerek magas hűtési hatékonyságot és nulla üvegházhatást okozó kibocsátást kínálnak, és ígéretes jelöltekké válnak a gőzsűrítési technológia helyettesítésére. Ezek a rendszerek szilárd anyagot használnak hűtőközegként, amely külső térnek (elektromos, mágneses, feszültségnek vagy nyomásnak) kitéve hőmérsékletváltozáson megy keresztül – ezt a jelenséget kalóriahatásnak nevezik.
Eddig a szilárdtest kalóriatartalmú hűtőrendszerekkel kapcsolatos kutatások többsége a mágneses hűtőközegekre összpontosított. A praktikus hűtőközegeknek azonban szobahőmérséklet közelében jelentős kalóriahatást kell mutatniuk, és az ilyen anyagokat általában nehéz megtalálni. Az egyik lehetséges anyag a Mn3SnC, amely jelentős kalóriahatást mutat, ha 2 T-nál nagyobb mágneses térnek van kitéve. Ilyen erős mágneses tér alkalmazása azonban drága és terjedelmes mágnesek használatát teszi szükségessé, ami nem praktikus.
Most, Peng Wu és munkatársai a ShanghaiTech Egyetemen, a Sanghaji Mikrorendszer- és Információtechnológiai Intézetben, a Kínai Tudományos Akadémia Egyetemén és a Pekingi Jiaotong Egyetemen megszüntették a mágnesek szükségességét egy Mn kombinálásával.3SnC réteg ólom-cirkonát-titanát (PZT) piezoelektromos réteggel.
Felhagy a mágnesekkel
fejezetben leírt kísérletsorozatban Acta Materialia, a csapat reverzibilis kalóriahatást figyelt meg mágneses tér nélkül. Az elért adiabatikus hőmérsékletváltozás körülbelül kétszerese volt a Mn-nél mértnek3SnC 3 T mágneses tér jelenlétében.
A kalóriahatást úgy figyeltük meg, hogy elektromos mezőt alkalmaztunk az anyagon, amely a fordított piezoelektromos hatáson keresztül feszültséget indukál a PZT-ben. A törzs a PZT rétegből a Mn3SnC réteg, ami a Mn mágneses sorrendjének megváltozását eredményezi3SnC. Ez akár 0.57 K hőmérséklet-csökkenést okoz az anyagban. Az elektromos mező eltávolításakor a hőmérséklet azonos értékkel nő.
Wu elmondja Fizika Világa hogy ezt az ötletet a működtetéshez gyakran piezoelektromos anyagokat használó mikroelektromechanikai rendszerektől (MEMS) merítette. Wu szerint az elektromos mező által közvetített feszültség alkalmazása segíthet kiküszöbölni a költséges és nagy mágnesek szükségességét, és hatékonyabb és fenntarthatóbb hűtőrendszert hozhat létre.
Kihívó mérés
A kalóriahatást vagy a hőmérséklet adiabatikus változásának vagy az izoterm entrópia változásának becslésével mérjük. Mind az iparban, mind a kutatásban a hőmérséklet változtatás a preferált módszer. Míg ez egy egyszerű kísérlet tiszta ömlesztett anyagokkal, rendkívül nehéz elvégezni egy olyan eszközalapú kompozit anyag esetében, amely elektromos térnek van kitéve.
A „kolosszális elasztokalorikus hatás” jobb hűtőszekrényeket eredményezhet
A méréshez Wu és munkatársai a Mn-hez csatlakoztatott hőelemszondával felszerelt rendszert használtak3SnC felület adiabatikus környezetben, pontosan szabályozott mágneses térrel és hőmérséklettel.
Mérőrendszerük pontosságának felmérésére a kutatók több magnetokalorikus hatásmérést végeztek 275–290 K hőmérséklet-tartományban. A hőmérséklet-változásokat 0.03 K-ig tudták követni, így ellenőrizték a rendszer nagy felbontású hőmérsékleti kapacitását.
Wu úgy véli, hogy a csapat munkája áttörést jelent a hőmérséklet-változás közvetlen mérésében, tekintettel az adiabatikus hőmérsékletmérés elvégzésére, miközben a PZT-re feszültséget kapcsolnak. Hozzáteszi: "A hőmérséklet mérésének ez a megközelítése hasznos lehet más hőelektronikai eszközök esetében." Wu azonban hangsúlyozza, hogy „a rendszer nem teljesen adiabatikus; hőveszteséget okozhat, ezért minden hőmérésnél további javításra van szükség”.
Érdekes és megmagyarázhatatlan
A csapat nagyon érdekes és váratlan jelenségeket is megfigyelt a hőmérsékletmérés során. „Mindegy, hogy pozitív vagy negatív elektromos teret alkalmazunk, a Mn felületi hőmérséklete3Az SnC mindig csökken” – mondja Wu. A kutatók azt is megállapították, hogy mágneses teret alkalmazva a kompoziton a Mn felületi hőmérséklete3Az SnC megemelkedik, míg az elektromos tér alkalmazása ennek az ellenkezőjét eredményezi, és a hőmérséklet csökkenését okozza. Wu azt mondja, hogy a csapat még nem érti ezeket a megfigyeléseket.
A kutatók most arra törekednek, hogy tanulmányozzák a Mn kontrasztos viselkedése mögött meghúzódó fizikát3SnC/PZT mágneses és elektromos mezők hatására. A hőmérsékletmérő rendszer további fejlesztése érdekében a hőveszteség problémáját is igyekeznek megoldani.
