Специалисты Саарского университета в Германии создали первое в мире опытное устройство, охлаждающее воздух с помощью искусственных «мускулов» из никель-титанового сплава. Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
От скромного холодильника и кондиционера до сложных систем охлаждения для использования в промышленных процессах – сохранение прохлады является важной частью современного общества. Глобальное потепление и рост населения мира означают, что потребность в энергоэффективных системах охлаждения будет только возрастать. Но в текущих условиях это означает высокий риск выбросов вредных газообразных хладагентов.
Исследовательская группа под руководством профессора Штефана Зеелеке из Саарского университета совместно с Центром мехатроники и технологий автоматизации (ZeMA) в настоящее время разрабатывает экологически чистую систему охлаждения. В новой технологии используются инновационные материалы с «памятью прежней формы», также известные как «искусственные мышцы». Эти материалы при работе способны транспортировать тепло, используя очень тонкие никель-титановые провода.
«Наш процесс энергоэффективен и не требует использования хладагентов, вредных для климата. На самом деле наша технология до 15 раз эффективнее, чем системы, основанные на обычных хладагентах», – отметил Штефан Зеелеке. Комиссия ЕС и Министерство энергетики США высоко оценили эту разработку и считают ее наиболее многообещающей альтернативой используемой сегодня технологии парокомпрессионного охлаждения.
Команда немецких исследователей разработала первый в мире непрерывно работающий прототип, который охлаждает воздух, и продемонстрировала его на недавней выставке Hannover Messe. В опытном устройстве используются искусственные мышечные волокна, состоящие из пучков сверхтонких проволок с «памятью прежней формы», изготовленных из нитинолового сплава (никеля-титана).
После растяжения или другой деформации эти металло-волокна способны напрягаться и расслабляться, как человеческие мышцы. Такие изменения в кристаллической структуре материала (фазовые переходы) заставляют провода поглощать или выделять тепло. Именно этот эффект Зеелеке и его команда используют в своей новой системе охлаждения.
«Эффект материала с «памятью прежней формы», связанный с выделением тепла в окружающую среду и поглощением в ненагруженной фазе, особенно выражен в случае нитинола. Когда предварительно напряженные нитиноловые проволоки разгружаются от деформации при комнатной температуре, они остывают сразу на целых 20 градусов», – пояснил Штефан Зеелеке.
Сюзанна-Мари Кирш, которая помогала разрабатывать систему охлаждения в рамках своего докторского исследовательского проекта, дополнила: «Основная идея состоит в том, чтобы позволить предварительно напряженным сверхэластичным проводам с памятью формы ослабиться и, таким образом, охладить рабочее пространство, отводя от него тепло». Затем это тепло высвобождается с отведением наружу, когда провода подвергаются повторному напряжению.
Для максимальной эффективности этого процесса ученые разработали особую схему охлаждения, в которой специальный кулачковый привод вращается таким образом, что пучки нитиноловых проволок толщиной 200 микрон растягиваются и ослабляются попеременно. Воздух продувается через жгуты проводов в двух отдельных камерах: в одной камере воздух нагревается, в другой охлаждается.
В результате машина на искусственных «мускулах» может как охлаждать, так и нагревать. «Нагрев производится примерно на 20 градусов, так что этот процесс также можно использовать в качестве теплового насоса», – объяснил Феликс Уэлш, который также работал над прототипом системы.
Исследователями установлено, что в зависимости от характеристик используемого сплава, мощность нагрева или охлаждения по этой новой технологии до 30 раз превышает механическую мощность, необходимую для растяжения/ослабления металлических «нитей». Это делает новую систему на основе «эластокалорийной энергии» более эффективной, чем доступные в настоящее время тепловые насосы и обычные холодильники.
Благодаря сочетанию экспериментальных исследований и моделирования немецкие специалисты смогли оптимизировать основные механизмы и определить, сколько нитиноловых проволок должно быть включено в пучок или какой уровень нагрузки на проволоку необходим для достижения определенной степени охлаждения. Опираясь на эти результаты, они разработали программный пакет, который позволяет им моделировать, планировать и точно настраивать системы охлаждения для конкретных задач.
Исследователи из команды Зеелеке в настоящее время работают над разработкой применения своей технологии для использования в системах охлаждения электромобилей. С января 2022 года команда работает с академическими и промышленными партнерами в рамках финансируемого государством совместного проекта NEKKA, целью которого является разработка новой эластомерной системы охлаждения
Ранее издание мы публиковали перевод основных положений публикации портала Eurekalert о разработке в США наноструктурированных волокон из недорогих полимеров для применения в качестве искусственных мышц.