В совокупности все кондиционеры и холодильные агрегаты на земле потребляют около одной пятой мирового производства электроэнергии. В поисках более эффективных методов охлаждения ученые в настоящее время сосредоточились, на хорошо известном, эластокалорическом эффекте. Он состоит в следующем, некоторые материалы изменяют свою температуру при деформации.
Эластокалорическое поведение натурального каучука известно с начала 19-го века. Для заметного охлаждающего эффекта обычно приходится сильно растягивать материал. Точно таким же эффектом обладаю следующие материалы нейлон, резина и никель - титановый сплав. Все эти материалы, в ходе различных экспериментов, скручивали друг в друга несколько раз. Например, никелевые и титановые волокна имели до пятидесяти витков на сантиметр. Когда отпускали шнур, он раскручивался в течение секунды и его поверхность остыла до 20 градусов. В случае резиновых волокон охлаждение составляло 16 градусов, а в случае нейлоновых волокон - по меньшей мере около пяти градусов.
Исследователи сконструировали небольшой охлаждающий блок из никель - титановых волокон, с помощью которого они охлаждали струю проточной воды на 7,7 градуса. Путем быстрого скручивания и расслабления волокон можно добиться еще большего охлаждения В будущем ученые хотят разработать дополнительные охлаждающие модули из скрученных волокон - и считают вполне возможным, что их эффективность значительно выше, чем у обычных охлаждающих контуров.
Холодильники и кондиционеры работают с хладагентом, который прокачивается через замкнутый контур трубок, поочередно в жидком или газообразном состоянии. Исследователи теперь нашли более эффективную альтернативу, используя пластиковые кристаллы, которые могут деформироваться под давлением. Оказывается сжатием и расширением кристаллов можно достичь охлаждения около 50 градусов.
Исследованию подвергся синтетический материал неопентилгликоль. Неопентилгликоль применяется очень широко. Он входит в состав лакокрасочных материалов, различных синтетических моторных масел и даже в парфюмерии.
При температурах, ниже комнатной, молекулы в пластиковом кристалле образовали неупорядоченную структуру. Однако, когда материал был сжат, молекулы перестраивались в кристаллическую структуру посредством вращательных движений и материал очень нагрелся. Благодаря рассеиванию тепла и снижению давления первоначальный беспорядок вновь возник, материал охладился на 50 градусов.
Этот необычный эффект может служить альтернативой обычным циклам сжатия. Физически большой охлаждающий эффект обусловлен изменяющейся энтропией материала: чем больше беспорядочных молекул, тем выше значение этого термодинамического размера. Сжатие кристалла резко снижает энтропию. Без внешнего давления энтропия снова возрастает, и материал охлаждается параллельно.
Пластмассовые кристаллы неопентилгликоля демонстрируют большой потенциал для эффективного охлаждения в твердом состоянии. В зависимости от их размера, они могут быть использованы для небольших компьютерных чипов и в будущем вытеснят вредные для климата охлаждающие жидкости. Однако до того, как будут созданы первые холодильники с пластиковыми кристаллами их стабильность должна быть сначала оптимизирована в течение длительных периодов времени, а уменьшающий эффект охлаждения должен быть устранен.
