Faststoffkjøling oppnås via elektrisk feltindusert belastning

Forskere i Kina har vist at å påføre belastning på et komposittmateriale ved hjelp av et elektrisk felt induserer en stor og reversibel kalorieffekt. Denne nye måten å forsterke kalorieffekten uten et magnetfelt kan åpne nye veier for faststoffkjøling og føre til mer energieffektive og lettere kjøleskap.

Det anslår International Institute of Refrigeration 20% av all elektrisitet som brukes globalt, brukes på dampkompresjonskjøling – som er teknologien som brukes i konvensjonelle kjøleskap og klimaanlegg. Dessuten er kjølemediene som brukes i disse systemene kraftige drivhusgasser bidra betydelig til global oppvarming. Som et resultat prøver forskere å utvikle mer miljøvennlige kjølesystemer.

Kjølesystemer kan også lages av fullstendig solid state-systemer, men disse kan foreløpig ikke konkurrere med dampkompresjon for de fleste vanlige applikasjoner. I dag bruker de fleste kommersielle solid-state kjølesystemer Peltier-effekten, som er en termoelektrisk prosess som lider av høye kostnader og lav effektivitet.

Eksterne felt

Solid-state kjølesystemer basert på kalorimaterialer tilbyr både høy kjøleeffektivitet og null drivhusutslipp og fremstår som lovende kandidater for å erstatte dampkompresjonsteknologi. Disse systemene bruker et fast materiale som kjølemiddel, som når det utsettes for et eksternt felt (elektrisk, magnetisk, belastning eller trykk) gjennomgår en temperaturendring - et fenomen som kalles kalorieffekten.

Så langt har mesteparten av forskningen på faststoffkalorikjølesystemer fokusert på magnetiske kjølemidler. Imidlertid må praktiske kjølemedier ha en betydelig kalorieffekt nær romtemperatur, og slike materialer er generelt vanskelige å finne. Et potensielt materiale er Mn₃SnC, som viser en betydelig kalorieffekt når den utsettes for magnetiske felt større enn 2 T. Men å bruke et så høyt magnetfelt krever bruk av dyre og voluminøse magneter, noe som ikke er praktisk.

Nå, 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 eliminert behovet for magneter ved å kombinere en Mn₃SnC-lag med et piezoelektrisk lag av blyzirkonattitanat (PZT).

Gjør unna magnetene

I en serie eksperimenter beskrevet i Acta Materialia, teamet observerte en reversibel kalorieffekt uten behov for et magnetfelt. Den oppnådde adiabatiske temperaturendringen var rundt det dobbelte av det målt for Mn₃SnC i nærvær av et 3 T magnetfelt.

Kalorieffekten ble observert ved å påføre et elektrisk felt på materialet, som induserer belastning i PZT via den omvendte piezoelektriske effekten. Stammen overføres fra PZT-laget til Mn₃SnC-lag, som resulterer i en endring i magnetisk rekkefølge av Mn₃SnC. Dette medfører et temperaturfall på opptil 0.57 K i materialet. Når det elektriske feltet fjernes, øker temperaturen med samme verdi.

Wu forteller Fysikkens verden at han fikk denne ideen fra mikroelektromekaniske systemer (MEMS), som ofte bruker piezoelektriske materialer for aktivering. Ifølge Wu kan bruk av elektrisk felt-mediert belastning bidra til å eliminere behovet for kostbare og store magneter, og skape et mer effektivt og bærekraftig kjølesystem.

Utfordrende måling

Kalorieffekten måles enten ved å estimere den adiabatiske endringen i temperatur eller den isotermiske entropiendringen. Både i industri og forskning er temperaturendringer den foretrukne metoden. Selv om dette er et enkelt eksperiment for rene bulkmaterialer, er det ekstremt vanskelig å gjøre for et enhetsbasert komposittmateriale som er utsatt for et elektrisk felt.

For å foreta målingen brukte Wu og kollegene et system utstyrt med en termoelementsonde festet til Mn₃SnC overflate i et adiabatisk miljø med nøyaktig kontrollert magnetfelt og temperatur.

For å vurdere nøyaktigheten til målesystemet deres, utførte forskerne flere magnetokaloriske effektmålinger i temperaturområdet 275–290 K. De var i stand til å overvåke temperaturendringer ned til 0.03 K, og verifiserte dermed systemets høyoppløselige temperaturkapasitet.

Wu mener teamets arbeid er et gjennombrudd når det gjelder å måle temperaturendringer direkte, gitt utfordringen med å foreta en adiabatisk temperaturmåling mens det påføres en spenning til PZT. Han legger til, "Denne tilnærmingen til temperaturmåling kan være nyttig for andre termiske elektroniske enheter." Imidlertid understreker Wu at «systemet er ikke fullstendig adiabatisk; det kan forårsake varmetap, derfor er ytterligere forbedring nødvendig for eventuelle varmemålinger.

Interessant og uforklarlig

Teamet observerte også noen veldig interessante og uventede fenomener under temperaturmålingen. «Uansett om man bruker et positivt eller negativt elektrisk felt, vil overflatetemperaturen til Mn₃SnC synker alltid, sier Wu. Forskerne fant også at ved å påføre et magnetfelt på kompositten, kan overflatetemperaturen til Mn₃SnC stiger, mens påføring av et elektrisk felt gjør det motsatte og forårsaker en reduksjon i temperaturen. Wu sier at teamet ennå ikke forstår disse observasjonene.

Forskerne tar nå sikte på å studere den underliggende fysikken bak den kontrasterende oppførselen til Mn₃SnC/PZT under magnetiske og elektriske felt. For å forbedre temperaturmålesystemet ytterligere prøver de også å løse problemet med varmetap.