Hlajenje v trdnem stanju je doseženo z napetostjo, ki jo povzroča električno polje

Raziskovalci na Kitajskem so pokazali, da obremenitev kompozitnega materiala z uporabo električnega polja povzroči velik in reverzibilen kalorični učinek. Ta nov način povečanja kaloričnega učinka brez magnetnega polja bi lahko odprl nove poti hlajenja v trdnem stanju in vodil do energetsko učinkovitejših in lažjih hladilnikov.

Mednarodni inštitut za hlajenje ocenjuje, da 20% vse električne energije, porabljene na svetu, se porabi za hlajenje s kompresijo pare – to je tehnologija, ki se uporablja v običajnih hladilnikih in klimatskih napravah. Še več, hladilna sredstva, ki se uporabljajo v teh sistemih, so močni toplogredni plini, ki pomembno prispevajo k globalnemu segrevanju. Posledično poskušajo znanstveniki razviti okolju prijaznejše hladilne sisteme.

Hladilni sistemi so lahko izdelani tudi iz popolnoma polprevodniških sistemov, vendar ti trenutno ne morejo tekmovati s kompresijo pare za večino običajnih aplikacij. Danes večina komercialnih polprevodniških hladilnih sistemov uporablja Peltierjev učinek, ki je termoelektrični proces, ki trpi zaradi visokih stroškov in nizke učinkovitosti.

Zunanja polja

Polprevodniški hladilni sistemi, ki temeljijo na kaloričnih materialih, nudijo visoko učinkovitost hlajenja in ničelne emisije toplogrednih plinov ter se pojavljajo kot obetavni kandidati za zamenjavo tehnologije kompresije hlapov. Ti sistemi uporabljajo trden material kot hladilno sredstvo, ki je izpostavljeno zunanjemu polju (električnemu, magnetnemu, deformacijskemu ali tlačnemu) podvrženo spremembi temperature – pojav, ki se imenuje kalorični učinek.

Doslej je bila večina raziskav trdnih kaloričnih hladilnih sistemov osredotočena na magnetna hladilna sredstva. Vendar morajo praktična hladilna sredstva pokazati pomemben kalorični učinek blizu sobne temperature in takšne materiale je na splošno težko najti. Eden od možnih materialov je Mn₃SnC, ki kaže pomemben kalorični učinek, ko je izpostavljen magnetnim poljem, večjim od 2 T. Toda uporaba tako visokega magnetnega polja zahteva uporabo dragih in obsežnih magnetov, kar ni praktično.

zdaj, Peng Wu in sodelavci na Univerzi ShanghaiTech, Šanghajskem inštitutu za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo, Univerzi Kitajske akademije znanosti in pekinški univerzi Jiaotong so odpravili potrebo po magnetih s kombinacijo Mn₃Plast SnC s piezoelektrično plastjo svinčevega cirkonat titanata (PZT).

Odprava magnetov

V seriji poskusov, opisanih v Acta Materialia, ekipa je opazila reverzibilen kalorični učinek brez potrebe po magnetnem polju. Dosežena adiabatna sprememba temperature je bila približno dvakrat večja od izmerjene za Mn₃SnC v prisotnosti magnetnega polja 3 T.

Kalorični učinek smo opazili z uporabo električnega polja na material, ki inducira deformacijo v PZT preko obratnega piezoelektričnega učinka. Deformacija se prenese s plasti PZT na Mn₃Plast SnC, kar ima za posledico spremembo magnetne urejenosti Mn₃SnC. To povzroči padec temperature do 0.57 K v materialu. Ko se električno polje odstrani, se temperatura poveča za isto vrednost.

Wu pove Svet fizike da je to idejo dobil pri mikroelektromehanskih sistemih (MEMS), ki za proženje pogosto uporabljajo piezoelektrične materiale. Po besedah ​​Wuja bi lahko uporaba napetosti, posredovane z električnim poljem, pomagala odpraviti potrebo po dragih in velikih magnetih ter ustvariti učinkovitejši in trajnostnejši hladilni sistem.

Zahtevno merjenje

Kalorični učinek se meri z oceno adiabatne spremembe temperature ali izotermne spremembe entropije. Tako v industriji kot pri raziskavah je sprememba temperature prednostna metoda. Medtem ko je to preprost poskus za čiste materiale v razsutem stanju, ga je izjemno težko izvesti za kompozitni material, ki temelji na napravi in ​​je podvržen električnemu polju.

Za izvedbo meritve so Wu in sodelavci uporabili sistem, opremljen s termočlensko sondo, pritrjeno na Mn₃Površina SnC v adiabatnem okolju z natančno nadzorovanim magnetnim poljem in temperaturo.

Da bi ocenili točnost njihovega merilnega sistema, so raziskovalci izvedli več meritev magnetokaloričnega učinka v temperaturnem območju 275–290 K. Spremljali so lahko temperaturne spremembe do 0.03 K, s čimer so preverili temperaturno zmogljivost visoke ločljivosti sistema.

Wu verjame, da je delo ekipe preboj pri neposrednem merjenju temperaturnih sprememb, glede na izziv izvajanja adiabatne meritve temperature med uporabo napetosti na PZT. Dodaja: "Ta pristop merjenja temperature bi lahko bil uporaben za druge toplotne elektronske naprave." Vendar Wu poudarja, da »sistem ni povsem adiabaten; lahko povzroči izgubo toplote, zato so potrebne nadaljnje izboljšave za vse meritve toplote.

Zanimivo in nepojasnjeno

Ekipa je med merjenjem temperature opazila tudi nekaj zelo zanimivih in nepričakovanih pojavov. »Ne glede na to, ali uporabimo pozitivno ali negativno električno polje, površinska temperatura Mn₃SnC se vedno zmanjša,« pravi Wu. Raziskovalci so tudi ugotovili, da se z uporabo magnetnega polja na kompozitu temperatura površine Mn₃SnC se dvigne, medtem ko uporaba električnega polja povzroči nasprotno in povzroči znižanje temperature. Wu pravi, da ekipa teh opažanj še ne razume.

Raziskovalci zdaj nameravajo preučiti osnovno fiziko za kontrastnim obnašanjem Mn₃SnC/PZT pod magnetnimi in električnimi polji. Za nadaljnje izboljšave sistema merjenja temperature poskušajo rešiti tudi problem toplotnih izgub.