یک آلیاژ جدید طراحی شده اثرات عظیم الاستکالریک را نشان می دهد - یک تغییر دما تحت فشار- و آن را یک کاندید خوب در زمینه خنک کننده ها که سازگار با محیط زیست است، می کند.
جامعه امروز در خنک سازی رشد کرده است. در اروپا، به عنوان مثال، 70 درصد مواد غذایی سرد یا یخ زده هستند، در حالی که در ایالات متحده، تهویه هواها در خانه های مردم برق بیشتری نسبت به همه آفریقا مصرف می کنند. انتظار می رود که تقاضا برای خنک کننده افزایش یابد، همراه با تأثیرات تشدید کننده آن بر گرمایش زمین، ایجاد فشار برای یافتن جایگزین هایی برای تکنولوژی های خنک کننده بخار فشرده که قدیمی و نسبتا کم بازده هستند ، که این روز ها استفاده می شوند.یک گزینه امید بخش استفاده از جامدات الاستوکالریک است. این مواد دمای خود را در پاسخ به یک فشار مکانیکی تغییر می دهند، ویژگی است که می تواند برای کشیدن گرما از یک جسم در تماس حرارتی استفاده شود. داوونگ کونگ از دانشگاه علم و صنعت پکن و همکارانش در حال حاضر گزارش می دهند که آنها یک آلیاژ طراحی و تولید کرده اند که با افزایش و کاهش دما بیش از 30 کلوین وقتی که تحت فشاراست و سپس رها می شود-که بزرگترین اثر برگشت پذیر الاستوکالوریک که تا کنون مشاهده شده است.
شکل 1: در جهت عقربه های ساعت از بالا: چهار مرحله در یک چرخه یخچال بر اساس ماده الاستوکالوریک.فشار مکانیکی باعث یک ساختار انتقال فازی می شود که مواد را گرم می کند. سپس ماده اجازه می دهد که گرما را به محیط اطراف خود منتقل کند و به یک دمای پایین تر بیاندازد. وفتی فشار ازاد می شود، ساختار انتقالی کریستال و ماده روی دما می افتد ، به ان اجازه می دهد گرما را به داخل بکشدو اطراف خود را سرد کند.

خنک سازی به روش متراکم سازی بخار که غذا و ساختمان های ما را خنک می کند دربردارنده یک چرخش خنک کننده متراکم است ، مجبور به گسترش ناگهانی می شود که می تواند گرما را خارج کند. بازده "اضافی" این روش- نسبت بازده واقعی و نظری- نسبتا کم است (حدود 20٪).علاوه بر این خنک کننده ها در متراکم کننده های بخار فعلی می توانند خطرناک باشند یا باعث آلودگی شوند ، و فرایند فشرده سازی نو و ارتعاش تولید می کند.تکنولوژی خنک سازی بر اساس اثرات به اصطلاح کالریک دارای بازده بالاتری است و هیچ خطرات محیط زیستی ندارد.مواد کالریک دستخوش یک انتقال فاز انتشار گرما (اگزوترمی) می شوند وقتی که در معرض یک میدان خارجی که مغناطیسی ، الکتریکی یا بر اساس فشار مکانیکی است،قرار می گیرند. فرآیند معکوس - یک واکنش جذب گرمایی (اندوترمی) هنگامی رخ می دهد که میدان حذف شود.این اثرات ادغام شده می توانند در یک دوره خنک سازی قرار گیرند ، اگر میدان فرایند گذار را سریع تراز ماده که می تواند گرما ازاد کند یا گرما را از محیط اطرافش جذب کند به جلو ببرد(شکل 1).این چرخه شامل چهار مرحله است: اعمال میدان به طوری که دمای مواد افزایش یابد؛ به گرمای ماده اجازه می دهد بیرون ریزد؛ حذف میدان به طوری که ماده پایین تر از درجه حرارت اصلی خود خنک شود؛ و به ماده اجازه می دهد محیط اطراف خود را خنک سازد. برای کاربرد در یک دستگاه خنک کننده، تغییر درجه حرارت الاستوکالوریک باید به طور ایده آل تا حداکثر ممکن بالا و قابل برگشت باشد، به طوری که چرخه خنک کننده بتواند چندین بار تکرار شود.
تا کنون، محققان بیشترین توجه خود را به اثر مغناطوکالریک - تغییر در درجه حرارت ناشی از میدان مغناطیسی اختصاص داده اند. اما 20 سال مطالعه مواد مغناطوکالریک منجر به شکست محصولات تجاری خنک کننده که نیاز های جهانی را براورده می کند شد. خنک کننده مگنتوکالوریک نیز گران است زیرا که مواد و آهنرباها نیازدارند که آنها را که عمدتا به عناصر نادر زمین متکی هستند کنترل کنند. در مقایسه، مواد الاستوکالریک که دمای زیر فشار را تغییر می دهند، ارزان تر برای ساخت و کنترل هستند و تغییرات دمای بیشتری را نشان می دهند. فشار منجر به آنچه که به عنوان یک انتقال مارتنزیت شناخته می شود، می شود، جایی که اتم های ماده ناگهان به یک ساختار جدید کریستال می لغزند (شکل 1). اثر الاستوکالریک حدود 40 سال است که شناخته شده است، اما پتانسیل استفاده از آن برای خنک سازی (یا برای گرمایش) در دهه گذشته تنها به دلیل توسعه مواد جدید و موثر به رسمیت شناخته شده است. مطالعات بعد از آن در سال 2014 بسیار امیدوارکننده بودند ، وزارت انرژی ایالات متحده تکنولوژی الاستوکالریک را به عنوان بهترین جایگزین برای فشرده سازی بخار اعلام کرد.
تا کنون بزرگترین اثرات الاستوکالریک (بیش از 20 کلوین) در شکل-الیاژهای حافظه-فلزات ، نشان داده شده است ،یکبار به شکل قالب در امدن ، هنگامی که گرم می شود، به شکل اصلی آنها ضربه می زند. اکثر این آلیاژها برای برنامه های کاربردی بر اساس اثر شکل حافظه یا پدیده سوپرالاستیسیته، و نه الاستوکالریک، بهینه شده اند. کار کنگ و همکارانش ویژگی الاستوکالریک رو به جلویی را به ارمغان می اورد.این تیم بر روی یک دسته از پلیکریستال نیکل منگنز (NiMn) که بر پایه الیاژاست ، تمرکز کرده است که انها به سیلندر هایی که در امتداد محور های بلندشان تحت فشار بودند ، شکل دادند. در چند صد مگاپاسکال فشار، مواد یک انتقال فاز مارتنزیتی با یک تغییر حجم تا بیشتر از 2 درصد نشان می دهند. در این نوع از ماده ، تغییرات حجم زیاد مطابق با تغییرات دما زیاد است، بنابراین تیم ترکیب ، الیاژ را تنظیم می کند- نسبت Ni به Mn و تیتانیوم-برای پیدا کردن بیشترین تغییر حجم. و انها در بور اضافه کردند تا پایداری ترکیب را زیر فشار بالا افزایش دهند. با دنبال کردن این استراتژی جست و جو ، تیم بر روی (Ni_50 Mn_31.5 Ti_18.5 )99.8B_0.2 صفر کرد، که در ان ، انها یک تغییر درجه دما الاستوکالرولیک برگشت پذیر از 31.5 کلوین – اندازه گیری کردند تغییر بزرگتری نسبت به انچه برای هر الاستوکالریک ، مگنتوکالریک ، یا الکتروکالریک جامد یافت می شد.
این اعداد تاثیر گذار هستند.با این حال ، اگر تاریخ یک راهنما است ، بسیاری از مواد جدید هرگز از " دره مرگ " بین کشف و یک دستگاه تجاری واقعی فرار نمی کنند. با این حال، در سال های اخیر چندین دستگاه الاستوکالوریک به اثبات رسیده است. این محدوده از دستگاه های مینیاتور تک مرحله ای هستند ، که متکی بر ارتباط حرارتی مستقیم بین یک ماده الاستوکالریک و یک حفره گرما یا منبع ، به دستگاه های پیچیده تر ، جایی که یک سیال ( مثل اب ) به عنوان یک انتقال حرارت متوسط عمل می کند .تا کنون ، مشخصات امید بخش ترین خنک کننده (یا گرم کننده) با انتقال سیال در دستگاه های به اصطلاح احیا کننده فعال الاستوکالریک نشان داده شده است. آزمايش ها دامنه دمايي 20 كيلوگرم و قدرت گرماي ويژه 800 وات بر کیلوگرم از ماده الاسترولیک را اندازه گیری کردند - كه به اندازه كافي براي خنك كردن دفتر كوچكي در يك روز گرم تابستان بود. این دستگاه ها همچنین دارای یک کارآیی انرژی نزدیک شدن به فشرده سازی بخار هستند.

در نهایت، پتانسیل بازار تکنولوژی الاستوکالریک بر روی دو چالش بزرگ قرار دارد. اول، ماده باید بتواند میلیون ها چرخه بارگیری را پشت سر بگذارد، که به ویژه چالش برانگیز است، زیرا ماده باید دارای یک شکل نازک (فیلم، سیم یا لوله) باشد تا انتقال حرارت سریع و کارآمد با محیط اطراف خود را تضمین کند. دوم، مکانیسم های محرک جدید برای بارگیری مکانیکی ماده الاستوکالریک مورد نیاز است. محرک ایده آل نیروی لازم را به طور موثر اعمال می کند و می تواند پس بگیرد کاری را که رها کرده، زمانی که ماده الاستوکالریک تخلیه می شوند. بازیابی بازده کار یکی از شرایط اصلی برای تحقق فناوری الاستوکالریک کارآمد است و تا کنون محقق نشده است. با این وجود، با طراحی استراتژی خود، کنگ و همکاران ، محققان را مجهز به ابزارهای بهتر برای کشف اثرات الاستوکالریک عظیم در مواد دیگر و با هر شانس، دستگاه های بهتر در آینده هستند.



نویسنده خبر: مینا بهرامی