Răcirea în stare solidă se realizează prin deformare indusă de câmp electric

Cercetătorii din China au arătat că aplicarea unei tensiuni la un material compozit folosind un câmp electric induce un efect caloric mare și reversibil. Acest nou mod de a spori efectul caloric fără un câmp magnetic ar putea deschide noi căi de răcire în stare solidă și ar putea duce la frigidere mai eficiente din punct de vedere energetic și mai ușoare.

Institutul Internațional de Refrigerare estimează că 20% din toată energia electrică utilizată la nivel global este cheltuită pentru refrigerarea cu compresie a vaporilor – care este tehnologia utilizată în frigiderele și aparatele de aer condiționat convenționale. În plus, agenții frigorifici utilizați în aceste sisteme sunt gaze puternice cu efect de seră care contribuie semnificativ la încălzirea globală. Drept urmare, oamenii de știință încearcă să dezvolte sisteme de refrigerare mai ecologice.

Sistemele de răcire pot fi, de asemenea, realizate din sisteme complet în stare solidă, dar acestea nu pot concura în prezent cu compresia vaporilor pentru majoritatea aplicațiilor principale. Astăzi, majoritatea sistemelor comerciale de răcire în stare solidă utilizează efectul Peltier, care este un proces termoelectric care suferă de costuri ridicate și eficiență scăzută.

Câmpuri externe

Sistemele de răcire în stare solidă bazate pe materiale calorice oferă atât o eficiență ridicată de refrigerare, cât și zero emisii cu efect de seră și devin candidați promițători pentru a înlocui tehnologia de compresie a vaporilor. Aceste sisteme folosesc un material solid ca agent frigorific, care atunci când este supus unui câmp extern (electric, magnetic, deformare sau presiune) suferă o modificare a temperaturii – un fenomen numit efect caloric.

Până acum, majoritatea cercetărilor privind sistemele de răcire calorică în stare solidă s-au concentrat pe agenți frigorifici magnetici. Cu toate acestea, agenții frigorifici practici trebuie să prezinte un efect caloric semnificativ în apropierea temperaturii camerei și astfel de materiale sunt în general greu de găsit. Un material potențial este Mn₃SnC, care afișează un efect caloric semnificativ atunci când este expus la câmpuri magnetice mai mari de 2 T. Dar folosirea unui câmp magnetic atât de mare necesită utilizarea de magneți scumpi și voluminosi, ceea ce nu este practic.

Acum, Peng Wu și colegii de la Universitatea ShanghaiTech, Institutul de Microsistem și Tehnologia Informației din Shanghai, Universitatea din Academia Chineză de Științe și Universitatea Jiaotong din Beijing au eliminat nevoia de magneți prin combinarea unui Mn₃Strat SnC cu un strat piezoelectric de titanat de zirconat de plumb (PZT).

Îndepărtând magneții

Într-o serie de experimente descrise în Acta Materialia, echipa a observat un efect caloric reversibil fără a fi nevoie de un câmp magnetic. Schimbarea de temperatură adiabatică realizată a fost aproximativ dublă față de cea măsurată pentru Mn₃SnC în prezența unui câmp magnetic de 3 T.

Efectul caloric a fost observat prin aplicarea unui câmp electric materialului, care induce tensiune în PZT prin efectul piezoelectric invers. Tulpina este transferată din stratul PZT în Mn₃Stratul SnC, care are ca rezultat o modificare a ordinii magnetice a Mn₃SnC. Acest lucru determină o scădere a temperaturii de până la 0.57 K în material. Când câmpul electric este îndepărtat, temperatura crește cu aceeași valoare.

spune Wu Lumea fizicii că a primit această idee de la sistemele microelectromecanice (MEMS), care folosesc adesea materiale piezoelectrice pentru acționare. Potrivit lui Wu, utilizarea tensiunii mediate de câmp electric ar putea ajuta la eliminarea nevoii de magneți mari și costiși, creând un sistem de refrigerare mai eficient și mai durabil.

Măsurare dificilă

Efectul caloric este măsurat fie prin estimarea modificării adiabatice a temperaturii, fie a modificării entropiei izoterme. Atât în ​​industrie, cât și în cercetare, schimbarea temperaturii este metoda preferată. Deși acesta este un experiment simplu pentru materiale pure în vrac, este extrem de dificil de făcut pentru un material compozit bazat pe dispozitiv care este supus unui câmp electric.

Pentru a efectua măsurarea, Wu și colegii au folosit un sistem echipat cu o sondă de termocuplu atașată la Mn.₃Suprafață SnC într-un mediu adiabatic cu câmp magnetic și temperatură controlate cu precizie.

Pentru a evalua acuratețea sistemului lor de măsurare, cercetătorii au efectuat mai multe măsurători ale efectului magnetocaloric în intervalul de temperatură de 275–290 K. Ei au putut monitoriza schimbările de temperatură până la 0.03 K, verificând astfel capacitatea de temperatură de înaltă rezoluție a sistemului.

Wu crede că munca echipei este o descoperire în măsurarea directă a schimbării temperaturii, având în vedere provocarea de a efectua o măsurare adiabatică a temperaturii în timp ce se aplică o tensiune la PZT. El adaugă: „Această abordare a măsurării temperaturii ar putea fi utilă pentru alte dispozitive electronice termice”. Totuși, Wu subliniază că „sistemul nu este complet adiabatic; poate provoca pierderi de căldură, prin urmare sunt necesare îmbunătățiri suplimentare pentru orice măsurători de căldură”.

Interesant și inexplicabil

Echipa a observat și câteva fenomene foarte interesante și neașteptate în timpul măsurării temperaturii. „Indiferent dacă se aplică un câmp electric pozitiv sau negativ, temperatura de suprafață a lui Mn₃SnC scade întotdeauna”, spune Wu. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că prin aplicarea unui câmp magnetic compozit, temperatura de suprafață a Mn₃SnC crește, în timp ce aplicarea unui câmp electric face opusul și provoacă o scădere a temperaturii. Wu spune că echipa nu înțelege încă aceste observații.

Cercetătorii își propun acum să studieze fizica care stă la baza comportamentului contrastant al Mn₃SnC/PZT sub câmpuri magnetice și electrice. Pentru a îmbunătăți și mai mult sistemul de măsurare a temperaturii, aceștia încearcă, de asemenea, să rezolve problema pierderii de căldură.