Холодильники та морозильні камери по всьому світу використовують холодоагенти, при витоку яких можуть виділятися парникові гази, у тисячі разів потужніші за вуглекислий газ. У разі зростання конкуренції за альтернативні технології охолодження дослідники вивчають екологічно чисті варіанти, такі як еластокалоричне охолодження — твердотілова технологія, яка переміщає тепло за допомогою оборотних фазових перетворень.
Дослідники з Гонконзького університету науки та технологій (HKUST) оголосили про створення першого еластокалоричного пристрою, здатного досягати негативних температур за Цельсієм, що стало важливою віхою у розвитку цієї перспективної технології охолодження. Настільний прототип, описаний у нещодавній статті в журналі Nature, успішно заморозив 20 мілілітрів води в кригу за дві години, що можна порівняти з продуктивністю побутової морозильної камери.
Еластокалоричні системи привернули увагу останніми роками, оскільки їхнє охолодження не залежить від холодоагентів, що виділяють парникові гази. Натомість вони використовують унікальні властивості фазових переходів сплавів з ефектом пам'яті форми (SMA). Це клас металів, які у певному температурному діапазоні виділяють тепло при стисканні та поглинають тепло при розслабленні.
Однак досі всі дослідні еластокалоричні системи охолодження працювали при температурах вище 0 °C, що, мабуть, було обмежено низькою ефективністю сплавів з пам'яттю форми при нижчих температурах.
Для свого морозильника команда з Гонконгу використовувала унікальний нікель-титановий сплав із пам'яттю форми (51,2% нікелю, 48,8% титану), який зберігає свої еластокалоричні властивості при температурах, близьких до -21 °C. Стрижні зі сплаву були точно оброблені для отримання тонкостінних трубок зі складною внутрішньою структурою, розробленою для максимального теплообміну.
Складання нікель-титанових трубок у робочий еластокалоричний регенератор — тип теплообмінника — включало групування їх по три та щільну установку в міцний пластиковий корпус. Вісім таких блоків були з'єднані один з одним, а на одному кінці лінії було встановлено лінійний актуатор для застосування сили, необхідної для активації еластокалоричного ефекту.
Як працює морозильна камера?
У процесі роботи привід стискає та утримує нікель-титанові трубки, викликаючи нагрівання матеріалу. Одночасно через регенератор прокачується солона рідина, що містить хлорид кальцію (сіль, що часто використовується для боротьби зі зледенінням доріг), яка відводить тепло і викидає його в навколишнє середовище. Потім привід відпускає трубку, викликаючи її швидке охолодження. Рідина тече назад через регенератор у протилежному напрямку та охолоджується в процесі.
Повний цикл займає 1 секунду. Після 15 хвилин безперервної роботи в лабораторії холодний кінець системи досяг рекордної температури -12 °C, а гарячий кінець - 24 °C, що становить підвищення температури на 36 °C. У реальних умовах – при підключенні до ізольованої камери з пробіркою води та роботі на відкритому повітрі у теплий день – системі знадобилося більше часу для охолодження: камера досягла -4 °C за 60 хвилин.
Цинпін Сунь, професор машинобудування в Гонконзькому університеті науки та технологій, який очолював дослідження, визнає, що перед комерціалізацією цього пристрою на внутрішньому чи промисловому ринках необхідно подолати значні перешкоди. Його енергоефективність, як і раніше, нижча, ніж у традиційних систем кондиціювання повітря на основі парокомпресійного нагріву, причому більша частина втрат енергії припадає на привід. "У рамках нашої роботи з системної інтеграції та оптимізації ми розробляємо нові технології приводу", - говорить він. Команда також прагне досягти нижчих температур до -100 °C, що вимагатиме використання інших сплавів. І нарешті, тонкостінні трубчасті конструкції в цей час виготовляються з використанням точного, але дуже дорогого виробничого процесу, говорить Сунь. Тому вони вивчають альтернативи, включаючи 3D-друк, щоб скоротити кількість відходів матеріалів та виробничі витрати.
"Ми працюємо над цими трьома напрямками паралельно", - говорить він, прогнозуючи, що життєздатний продукт з'явиться на ринку через два-три роки.
Що стосується сфер застосування еластокалоричних морозильників, Сунь припустив, що це можуть бути мобільні системи доставляння заморожених продуктів та системи клімат-контролю в електромобілях. Він каже, що вони «активно співпрацюють із промисловими партнерами», але відмовився назвати будь-які конкретні групи. У довгостроковій перспективі, за його словами, мета полягає в тому, щоб «змінити наявний ринок парокомпресійних технологій», але зараз основна увага приділяється пошуку «нішевої галузі для досягнення прориву, а потім поступового розширення».
Хоча еластокалоричне охолодження демонструє перспективні результати як альтернативу традиційним холодильним установкам без викидів парникових газів, поки воно залишається на стадії прототипу, і попереду стоять серйозні інженерні перешкоди.
