Pendinginan solid-state dicapai melalui regangan yang diinduksi medan listrik

Para peneliti di Cina telah menunjukkan bahwa menerapkan regangan pada bahan komposit menggunakan medan listrik menginduksi efek kalori yang besar dan reversibel. Cara baru untuk meningkatkan efek kalori tanpa medan magnet ini dapat membuka jalan baru pendinginan solid-state dan menghasilkan lemari es yang lebih hemat energi dan lebih ringan.

Institut Pendinginan Internasional memperkirakan bahwa 20% dari semua listrik yang digunakan secara global dihabiskan untuk pendinginan kompresi uap – yang merupakan teknologi yang digunakan dalam lemari es dan AC konvensional. Terlebih lagi, zat pendingin yang digunakan dalam sistem ini adalah gas rumah kaca yang kuat yang berkontribusi signifikan terhadap pemanasan global. Akibatnya, para ilmuwan mencoba mengembangkan sistem pendingin yang lebih ramah lingkungan.

Sistem pendingin juga dapat dibuat dari sistem solid-state sepenuhnya, tetapi saat ini tidak dapat bersaing dengan kompresi uap untuk sebagian besar aplikasi arus utama. Saat ini, sebagian besar sistem pendingin solid-state komersial menggunakan efek Peltier, yang merupakan proses termoelektrik yang membutuhkan biaya tinggi dan efisiensi rendah.

Bidang eksternal

Sistem pendingin solid-state berbasis bahan berkalori menawarkan efisiensi pendinginan yang tinggi dan nol emisi rumah kaca dan muncul sebagai kandidat yang menjanjikan untuk menggantikan teknologi kompresi uap. Sistem ini menggunakan bahan padat sebagai zat pendingin, yang bila terkena medan eksternal (listrik, magnet, regangan, atau tekanan) akan mengalami perubahan suhu – sebuah fenomena yang disebut efek kalori.

Sejauh ini, sebagian besar penelitian mengenai sistem pendingin kalori solid-state berfokus pada zat pendingin magnetik. Namun, zat pendingin praktis harus menunjukkan efek kalori yang signifikan mendekati suhu ruangan, dan bahan semacam itu umumnya sulit ditemukan. Salah satu material yang potensial adalah Mn₃SnC, yang menampilkan efek kalori yang signifikan ketika terkena medan magnet lebih besar dari 2 T. Tetapi menggunakan medan magnet yang tinggi mengharuskan penggunaan magnet yang mahal dan besar, yang tidak praktis.

Sekarang, Peng Wu dan rekan-rekannya di Universitas ShanghaiTech, Institut Mikrosistem dan Teknologi Informasi Shanghai, Universitas Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok dan Universitas Beijing Jiaotong telah menghilangkan kebutuhan akan magnet dengan menggabungkan Mn₃Lapisan SnC dengan lapisan piezoelektrik timbal zirkonat titanat (PZT).

Menyingkirkan magnet

Dalam serangkaian percobaan yang dijelaskan dalam Akta Materialia, tim mengamati efek kalori reversibel tanpa perlu medan magnet. Perubahan suhu adiabatik yang dicapai sekitar dua kali lipat yang diukur untuk Mn₃SnC dengan adanya medan magnet 3 T.

Efek kalori diamati dengan menerapkan medan listrik pada material, yang menginduksi regangan pada PZT melalui efek piezoelektrik terbalik. Strain ditransfer dari lapisan PZT ke Mn₃Lapisan SnC, yang menghasilkan perubahan urutan magnetik Mn₃SnC. Hal ini menyebabkan penurunan suhu hingga 0.57 K dalam material. Ketika medan listrik dihilangkan, suhu meningkat dengan nilai yang sama.

Wu menceritakan Dunia Fisika bahwa ia mendapat ide ini dari sistem mikroelektromekanis (MEMS), yang sering menggunakan bahan piezoelektrik untuk penggeraknya. Menurut Wu, penggunaan tegangan yang dimediasi medan listrik dapat membantu menghilangkan kebutuhan akan magnet yang mahal dan besar, sehingga menciptakan sistem pendingin yang lebih efisien dan berkelanjutan.

Pengukuran yang menantang

Efek kalori diukur dengan memperkirakan perubahan suhu adiabatik atau perubahan entropi isotermal. Baik dalam industri maupun penelitian, perubahan suhu adalah metode yang disukai. Meskipun ini adalah eksperimen langsung untuk material curah murni, hal ini sangat sulit dilakukan untuk material komposit berbasis perangkat yang terkena medan listrik.

Untuk melakukan pengukuran, Wu dan rekannya menggunakan sistem yang dilengkapi dengan probe termokopel yang terpasang pada Mn₃Permukaan SnC dalam lingkungan adiabatik dengan medan magnet dan suhu yang dikontrol dengan tepat.

Untuk menilai keakuratan sistem pengukuran mereka, para peneliti melakukan beberapa pengukuran efek magnetokalori dalam kisaran suhu 275–290 K. Mereka mampu memantau perubahan suhu hingga 0.03 K, sehingga memverifikasi kapasitas suhu resolusi tinggi sistem.

Wu yakin kerja tim ini merupakan terobosan dalam mengukur perubahan suhu secara langsung, mengingat tantangan melakukan pengukuran suhu adiabatik sambil menerapkan tegangan ke PZT. Dia menambahkan, “Pendekatan pengukuran suhu ini dapat berguna untuk perangkat elektronik termal lainnya.” Namun, Wu menekankan bahwa “sistem ini tidak sepenuhnya adiabatik; hal ini dapat menyebabkan hilangnya panas, oleh karena itu perbaikan lebih lanjut diperlukan untuk setiap pengukuran panas”.

Menarik dan tidak dapat dijelaskan

Tim juga mengamati beberapa fenomena yang sangat menarik dan tak terduga selama pengukuran suhu. “Tidak peduli apakah seseorang menerapkan medan listrik positif atau negatif, suhu permukaan Mn₃SnC selalu menurun,” kata Wu. Para peneliti juga menemukan bahwa dengan menerapkan medan magnet pada komposit, suhu permukaan Mn₃SnC naik, sedangkan menerapkan medan listrik melakukan sebaliknya dan menyebabkan penurunan suhu. Wu mengatakan bahwa tim belum memahami pengamatan ini.

Para peneliti sekarang bertujuan untuk mempelajari fisika yang mendasari di balik perilaku kontras Mn₃SnC/PZT di bawah medan magnet dan listrik. Untuk lebih meningkatkan sistem pengukuran suhu, mereka juga mencoba memecahkan masalah kehilangan panas.