سرمایش جامد نوین با تبدیل گرمای هدررفته به سرما

تصور کنید نوار بسیار نازکی از فلز با گرم شدن خم شود و زنجیره‌ای از واکنش‌ها را به راه بیندازد که در پایان به سرما برسد. شبیه یک ترفند به نظر می‌رسد، اما چنین نیست. این یک رویکرد تازه در فناوری سرمایش است که گرما را به کار مکانیکی و سپس به سرما تبدیل می‌کند.

سامانه سرمایشی جدید دو فویل نیکل-تیتانیوم را ترکیب می‌کند: یک فویل واکنش‌پذیر به گرما حرکت ایجاد می‌کند و فویل دوم از این حرکت برای تولید سرمایش بهره می‌برد. 

از گرمای اتلافی تا سرمای مفید

پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه و دانشگاه تسوکوبا نخستین نمونه آزمایشگاهی یک خنک‌کننده الاستوکالریک محرک با گرما را ساخته‌اند. این دستگاه از دو فویل فوق‌نازک نیکل-تیتانیوم استفاده می‌کند که از رفتار حافظه‌دار این آلیاژ برای تبدیل گرما به حرکت و سپس ایجاد افت دما بهره می‌برند. ایده اصلی ساده و در عین حال ظریف است: جایگزین کردن محرک الکتریکی که معمولا یک ماده الاستوکالریک را فشرده یا کشیده می‌کند، با قطعه دیگری از ماده که هنگام گرم شدن به حرکت درمی‌آید.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ گرمایش و سرمایش در کنار هم سهم بسیار بزرگی از مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص می‌دهند. سامانه‌های متداول به کمپرسورهای برقی و مبردهایی وابسته‌اند که مشکلات زیست‌محیطی و بازدهی به همراه دارند. روش‌های سرمایش حالت‌جامد، مانند سامانه‌های الاستوکالریک، نوید بازده بالاتر و فاصله گرفتن از مبردهای گاز گلخانه‌ای را می‌دهند. گلوگاه تا امروز این بود که این سامانه‌ها همچنان به موتور و محرک‌های برقی نیاز داشتند. این نمونه آزمایشگاهی با سپردن تأمین نیروی مکانیکی به خود گرما، این وابستگی را حذف می‌کند.

دو فویل چگونه کار را انجام می‌دهند

یک فویل نقش موتور حرارتی را دارد. وقتی گرم می‌شود، دچار تغییر فاز بلوری ویژه آلیاژهای حافظه‌دار می‌شود و کوتاه یا خم می‌گردد. همین حرکت منبع انرژی مکانیکی است. فویل دوم عنصر الاستوکالریک است. بارگذاری و برداشتن سریع و تکرارشونده بار از این فویل، ساختار بلوری داخلی آن را به‌صورت برگشت‌پذیر تغییر می‌دهد و هنگام دگرگونی فازی، با جذب گرمای نهان اثر سرمایشی ایجاد می‌کند.

عملکرد اندازه‌گیری‌شده در آزمایشگاه محدود اما قانع‌کننده بود. در دمای محرک نزدیک به ۸۶ درجه سلسیوس، دستگاه در سطح قطعه حدود ۴ درجه سلسیوس افت دما ایجاد کرد، در حالی که خود ماده الاستوکالریک نزدیک به ۱۳ درجه سلسیوس تغییر دما را تجربه کرد. این گروه همچنین سامانه را با یک منبع گرمای خارجی در حدود ۱۳۰ درجه سلسیوس به کار انداخت تا نشان دهد می‌تواند با نوعی از گرمای اتلافی که در محیط‌های صنعتی و زیر کاپوت خودروها یافت می‌شود، کار کند.

دستگاه کوچک، پرسش‌های بزرگ

این نمونه اولیه یک نمایش امکان‌سنجی است، نه محصول نهایی. توان سرمایشی آن در شکل فعلی محدود است. با این حال، معماری سامانه مسیر روشنی را برای توسعه نشان می‌دهد: چیدن یا اتصال چند فویل به‌صورت موازی برای افزایش ظرفیت. این مواد نازک، سبک و سریع‌پاسخ هستند و همین ویژگی‌ها آن‌ها را برای کاربردهای فشرده‌ای که فضا و وزن اهمیت دارند، جذاب می‌کند.

کاربردهای احتمالی آن قابل توجه‌اند. یک تراشه رایانه‌ای پربازده می‌تواند بخشی از گرمای اتلافی خود را برای راه‌اندازی سرمایش موضعی هدایت کند. تجهیزات الکترونیکی خودرو می‌توانند از گرمای سامانه انتقال قدرت استفاده کنند تا قطعات حساس را در محدوده دمایی ایمن نگه دارند. سامانه‌های دورافتاده یا خارج از شبکه نیز می‌توانند کلکتورهای حرارتی خورشیدی را با ماژول‌های الاستوکالریک محرک با گرما ترکیب کنند تا بدون نیاز به تأمین مداوم برق، سرمایش فراهم شود.

موانع عملی و مسیرهای پژوهشی

چالش‌های مهندسی مهمی باید برطرف شوند. دوام یکی از آن‌هاست. آلیاژهای حافظه‌دار ممکن است پس از چرخه‌های فراوان دچار خستگی شوند؛ بنابراین طراحی فویل‌های بادوام و اتصالات مکانیکی مقاوم ضروری خواهد بود. مدیریت حرارتی چالش دیگر است. برای تبدیل کارآمد انرژی، گرما باید به‌صورت کنترل‌شده تأمین و دفع شود تا یک فویل بتواند به‌طور پایدار فویل دیگر را به حرکت وادارد، بی‌آنکه انرژی به محیط هدر برود. در نهایت، سامانه‌های واقعی به راهبردهای مقیاس‌پذیری نیاز دارند که تغییرات فازی سریع و تکرارپذیر لازم برای توان سرمایشی قابل توجه را حفظ کند.

با این حال، این آزمایش یک مانع مفهومی مهم را کنار می‌زند. این نمونه نشان می‌دهد که گرما می‌تواند محرک مستقیم سرمایش الاستوکالریک باشد، نه صرفا منبع حرارتی که یک موتور برقی را تغذیه می‌کند.

دیدگاه کارشناس

«این کار به سوی دسته‌ای از عناصر سرمایشی فشرده و خودمحرک اشاره دارد که به‌جای الکترومکانیک حجیم، از هوشمندی مواد بهره می‌گیرند»، دکتر میرا سانتوس، مهندس و مشاور سامانه‌های حرارتی که در این پژوهش مشارکت نداشته است، می‌گوید. «اگر چالش‌های خستگی و انتقال حرارت مدیریت شوند، می‌توان طی یک دهه شاهد به‌کارگیری‌های محدود اما اثرگذار بود، به‌ویژه در جاهایی که گرمای اتلافی فراوان است و بهره‌وری الکتریکی اهمیت بسیار بالایی دارد.»

جمع‌بندی

تیم‌های کارلسروهه و تسوکوبا مفهومی را نشان داده‌اند که گرما را نه صرفا دشمنی برای دفع شدن، بلکه منبعی فعال برای سرمایش بازتعریف می‌کند. دستگاه کنونی اصل ایده را ثابت می‌کند: گرما می‌تواند حرکت ایجاد کند و از طریق اثر الاستوکالریک، سرما تولید کند. از نگاه پایداری، این جابه‌جایی نقش‌ها، یعنی کمک گرما به تولید سرما، می‌تواند به طراحی‌های کم‌مصرف‌تر و روش‌های تازه برای بازیابی گرمای اتلافی منجر شود. گام‌های بعدی شامل مقیاس‌پذیری، آزمون دوام و ادغام در سامانه‌هایی است که در آن‌ها هم‌خوانی میان گرمای در دسترس و نیاز سرمایشی بیشترین معنا را دارد.

این نمونه اولیه نشان می‌دهد که گرما به‌تنهایی می‌تواند سرمایش حالت‌جامد را بدون محرک الکتریکی به راه بیندازد.