Forskere i Kina har vist, at belastning af et kompositmateriale ved hjælp af et elektrisk felt inducerer en stor og reversibel kalorieeffekt. Denne nye måde at forstærke kalorieeffekten på uden et magnetfelt kunne åbne nye veje til faststofkøling og føre til mere energieffektive og lettere køleskabe.
Det vurderer International Institute of Refrigeration 20 % af al elektricitet, der bruges globalt, bruges på dampkompressionskøling - som er den teknologi, der bruges i konventionelle køleskabe og klimaanlæg. Hvad mere er, er de kølemidler, der bruges i disse systemer, kraftige drivhusgasser, der bidrager væsentligt til den globale opvarmning. Som følge heraf forsøger forskere at udvikle mere miljøvenlige kølesystemer.
Kølesystemer kan også laves af helt solid state-systemer, men disse kan i øjeblikket ikke konkurrere med dampkompression til de fleste almindelige applikationer. I dag bruger de fleste kommercielle solid-state kølesystemer Peltier-effekten, som er en termoelektrisk proces, der lider under høje omkostninger og lav effektivitet.
Eksterne felter
Solid-state kølesystemer baseret på kalorieholdige materialer tilbyder både høj køleeffektivitet og nul drivhusemissioner og fremstår som lovende kandidater til at erstatte dampkompressionsteknologi. Disse systemer anvender et fast materiale som kølemiddel, som, når det udsættes for et eksternt felt (elektrisk, magnetisk, belastning eller tryk), undergår en temperaturændring - et fænomen kaldet kalorieeffekten.
Hidtil har det meste af forskningen i faststof-kaloriekølesystemer fokuseret på magnetiske kølemidler. Praktiske kølemidler skal dog udvise en betydelig kalorieeffekt nær stuetemperatur, og sådanne materialer er generelt svære at finde. Et potentielt materiale er Mn3SnC, som udviser en betydelig kalorieeffekt, når den udsættes for magnetiske felter større end 2 T. Men at anvende et så højt magnetfelt nødvendiggør brugen af dyre og omfangsrige magneter, hvilket ikke er praktisk.
Nu Peng Wu og kolleger ved ShanghaiTech University, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, University of Chinese Academy of Sciences og Beijing Jiaotong University har elimineret behovet for magneter ved at kombinere en Mn3SnC-lag med et piezoelektrisk lag af blyzirkonattitanat (PZT).
At gøre op med magneterne
I en række eksperimenter beskrevet i Acta Materialia, holdet observerede en reversibel kalorieeffekt uden behov for et magnetfelt. Den opnåede adiabatiske temperaturændring var omkring det dobbelte af den målt for Mn3SnC i nærvær af et 3 T magnetfelt.
Kalorieeffekten blev observeret ved at påføre et elektrisk felt på materialet, som inducerer belastning i PZT via den omvendte piezoelektriske effekt. Stammen overføres fra PZT-laget til Mn3SnC-lag, hvilket resulterer i en ændring i magnetisk rækkefølge af Mn3SnC. Dette medfører et temperaturfald på op til 0.57 K i materialet. Når det elektriske felt fjernes, stiger temperaturen med samme værdi.
Wu fortæller Fysik verden at han fik denne idé fra mikroelektromekaniske systemer (MEMS), som ofte bruger piezoelektriske materialer til aktivering. Ifølge Wu kunne brug af elektrisk felt-medieret belastning hjælpe med at eliminere behovet for dyre og store magneter, hvilket skaber et mere effektivt og bæredygtigt kølesystem.
Udfordrende måling
Kalorieeffekten måles enten ved at estimere den adiabatiske ændring i temperatur eller den isotermiske entropiændring. I både industri og forskning er temperaturændring den foretrukne metode. Selvom dette er et ligetil eksperiment for rene bulkmaterialer, er det ekstremt vanskeligt at gøre for et enhedsbaseret kompositmateriale, der er udsat for et elektrisk felt.
'Kolossal elastokalorisk effekt' kunne føre til bedre køleskabe
For at foretage målingen brugte Wu og kolleger et system udstyret med en termoelementsonde fastgjort til Mn3SnC overflade i et adiabatisk miljø med præcist styret magnetfelt og temperatur.
For at vurdere nøjagtigheden af deres målesystem udførte forskerne adskillige magnetokaloriske effektmålinger i temperaturområdet 275-290 K. De var i stand til at overvåge temperaturændringer ned til 0.03 K og verificerede dermed systemets højopløselige temperaturkapacitet.
Wu mener, at holdets arbejde er et gennembrud i måling af temperaturændringer direkte, givet udfordringen med at lave en adiabatisk temperaturmåling, mens der påføres en spænding til PZT. Han tilføjer, "Denne tilgang til temperaturmåling kan være nyttig for andre termiske elektroniske enheder." Wu understreger dog, at "systemet ikke er fuldstændig adiabatisk; det kan forårsage varmetab, derfor er yderligere forbedring nødvendig for eventuelle varmemålinger”.
Interessant og uforklarligt
Holdet observerede også nogle meget interessante og uventede fænomener under temperaturmålingen. “Uanset om man anvender et positivt eller negativt elektrisk felt, er overfladetemperaturen på Mn3SnC falder altid,” siger Wu. Forskerne fandt også ud af, at overfladetemperaturen af Mn ved at påføre et magnetfelt på kompositten3SnC stiger, hvorimod anvendelse af et elektrisk felt gør det modsatte og forårsager en reduktion i temperaturen. Wu siger, at holdet endnu ikke forstår disse observationer.
Forskerne sigter nu mod at studere den underliggende fysik bag Mn's kontrasterende adfærd3SnC/PZT under magnetiske og elektriske felter. For yderligere at forbedre temperaturmålesystemet forsøger de også at løse problemet med varmetab.
