Solid-state koeling wordt bereikt via door een elektrisch veld geïnduceerde spanning

Onderzoekers in China hebben aangetoond dat het uitoefenen van spanning op een composietmateriaal met behulp van een elektrisch veld een groot en omkeerbaar calorisch effect veroorzaakt. Deze nieuwe manier om het calorische effect te verbeteren zonder een magnetisch veld kan nieuwe wegen openen voor solid-state koeling en leiden tot energiezuinigere en lichtere koelkasten.

Dat schat het International Institute of Refrigeration 20% van alle elektriciteit die wereldwijd wordt gebruikt, wordt besteed aan koeling met dampcompressie - de technologie die wordt gebruikt in conventionele koelkasten en airconditioners. Bovendien zijn de koelmiddelen die in deze systemen worden gebruikt krachtige broeikasgassen aanzienlijk bijdragen aan de opwarming van de aarde. Daarom proberen wetenschappers milieuvriendelijkere koelsystemen te ontwikkelen.

Koelsystemen kunnen ook worden gemaakt van volledig solid-state systemen, maar deze kunnen momenteel niet concurreren met dampcompressie voor de meeste reguliere toepassingen. Tegenwoordig gebruiken de meeste commerciële solid-state koelsystemen het Peltier-effect, een thermo-elektrisch proces dat lijdt onder hoge kosten en lage efficiëntie.

Externe velden

Solid-state koelsystemen op basis van calorische materialen bieden zowel een hoge koelefficiëntie als geen uitstoot van broeikasgassen en komen naar voren als veelbelovende kandidaten om dampcompressietechnologie te vervangen. Deze systemen gebruiken een vast materiaal als koelmiddel, dat bij blootstelling aan een extern veld (elektrisch, magnetisch, spanning of druk) een verandering in temperatuur ondergaat – een fenomeen dat het calorische effect wordt genoemd.

Tot nu toe heeft het meeste onderzoek naar calorische koelsystemen in vaste toestand zich gericht op magnetische koelmiddelen. Praktische koelmiddelen moeten echter een aanzienlijk calorisch effect vertonen in de buurt van kamertemperatuur, en dergelijke materialen zijn over het algemeen moeilijk te vinden. Een potentieel materiaal is Mn₃SnC, dat een aanzienlijk calorisch effect vertoont bij blootstelling aan magnetische velden van meer dan 2 T. Maar het gebruik van zo'n hoog magnetisch veld vereist het gebruik van dure en omvangrijke magneten, wat niet praktisch is.

Nu, Peng Wu en collega's van ShanghaiTech University, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, University of Chinese Academy of Sciences en Beijing Jiaotong University hebben de behoefte aan magneten geëlimineerd door een Mn te combineren₃SnC-laag met een piëzo-elektrische laag van loodzirconaattitanaat (PZT).

Weg met de magneten

In een reeks experimenten beschreven in Acta Materialia, het team observeerde een omkeerbaar calorisch effect zonder de noodzaak van een magnetisch veld. De bereikte adiabatische temperatuurverandering was ongeveer het dubbele van die gemeten voor Mn₃SnC in de aanwezigheid van een 3 T magnetisch veld.

Het calorische effect werd waargenomen door een elektrisch veld op het materiaal aan te leggen, dat spanning in de PZT veroorzaakt via het omgekeerde piëzo-elektrische effect. De rek wordt overgebracht van de PZT-laag naar de Mn₃SnC-laag, wat resulteert in een verandering in magnetische ordening van de Mn₃SnC. Dit veroorzaakt een temperatuurdaling tot 0.57 K in het materiaal. Wanneer het elektrische veld wordt verwijderd, stijgt de temperatuur met dezelfde waarde.

Wu vertelt Natuurkunde wereld dat hij dit idee kreeg van micro-elektromechanische systemen (MEMS), die vaak piëzo-elektrische materialen gebruiken voor aandrijving. Volgens Wu zou het gebruik van door elektrische velden gemedieerde belasting kunnen helpen de behoefte aan dure en grote magneten te elimineren, waardoor een efficiënter en duurzamer koelsysteem ontstaat.

Uitdagende meting

Het calorische effect wordt gemeten door ofwel de adiabatische verandering in temperatuur of de isotherme entropieverandering te schatten. Zowel in de industrie als in onderzoek is temperatuurverandering de geprefereerde methode. Hoewel dit een eenvoudig experiment is voor pure bulkmaterialen, is het buitengewoon moeilijk om te doen voor een op een apparaat gebaseerd composietmateriaal dat onderhevig is aan een elektrisch veld.

Om de meting uit te voeren, gebruikten Wu en collega's een systeem dat was uitgerust met een thermokoppelsonde die aan de Mn was bevestigd₃SnC-oppervlak in een adiabatische omgeving met nauwkeurig geregeld magnetisch veld en temperatuur.

Om de nauwkeurigheid van hun meetsysteem te beoordelen, voerden de onderzoekers verschillende magnetocalorische effectmetingen uit in het temperatuurbereik van 275–290 K. Ze waren in staat om temperatuurveranderingen tot 0.03 K te volgen, waarmee ze de hoge resolutie-temperatuurcapaciteit van het systeem verifieerden.

Wu gelooft dat het werk van het team een ​​doorbraak is in het direct meten van temperatuurveranderingen, gezien de uitdaging om een ​​adiabatische temperatuurmeting uit te voeren terwijl er spanning op de PZT wordt gezet. Hij voegt eraan toe: "Deze benadering van temperatuurmeting kan nuttig zijn voor andere thermische elektronische apparaten." Wu benadrukt echter dat “het systeem niet volledig adiabatisch is; het kan warmteverlies veroorzaken, daarom is verdere verbetering nodig voor eventuele warmtemetingen”.

Interessant en onverklaarbaar

Het team nam ook enkele zeer interessante en onverwachte verschijnselen waar tijdens de temperatuurmeting. “Ongeacht of men een positief of negatief elektrisch veld aanbrengt, de oppervlaktetemperatuur van Mn₃SnC neemt altijd af', zegt Wu. De onderzoekers ontdekten ook dat door een magnetisch veld op de composiet aan te leggen, de oppervlaktetemperatuur van Mn₃SnC stijgt, terwijl het aanleggen van een elektrisch veld het tegenovergestelde doet en een verlaging van de temperatuur veroorzaakt. Wu zegt dat het team deze observaties nog niet begrijpt.

De onderzoekers willen nu de onderliggende fysica achter het contrasterende gedrag van Mn bestuderen₃SnC/PZT onder magnetische en elektrische velden. Om het temperatuurmeetsysteem verder te verbeteren, proberen ze ook het probleem van warmteverlies op te lossen.