Понижение температуры холодильника с помощью витой никель-титановой проволоки
Хладагент в холодильниках и кондиционерах вреден для климата. В настоящее время исследователи работают над более экологичными альтернативными вариантами, комбинируя резину, леску и никель-титановые провода.
Чтобы пиво в холодильнике оставалось холодным, холодильнику нужна охлаждающая жидкость. Важно, чтобы она испарялась даже при низких температурах, поскольку при переходе от жидкого к газообразному состоянию она поглощает тепло. Поэтому внутри холодильника становится холоднее. Даже морозильные камеры и кондиционеры работают по этому принципу. Но охлаждающие жидкости часто имеют отрицательные свойства. Используемые ранее и ныне запрещенные хлорфторуглероды (ХФУ) повреждают озоновый слой. Хладагенты более нового поколения, такие как пропан, бутан или R134a, иногда действуют как парниковые газы или имеют низкую энергоэффективность. Поэтому исследователи работают над более чистыми и более эффективными альтернативами, и сейчас опробовали необычный подход: команда во главе с Ран Вангом из китайского университета Нанкай занимается исследованиями скрученных волокон из натурального каучука, лески и никель-титановой проволоки. По словам ученых, материалы поглощают тепло, скручиваясь и раскручиваясь.
Технология охлаждения на 16,4 градуса
Еще в начале 19-го века исследователи знали, что натуральный каучук нагревается, когда его растягивают. Когда напряжение ослабевает, он остывает.
"Однако, чтобы значительно снизить температуру, нужно освободить резину от сильной деформации", - объясняет Рэй Бауман из Техасского университета, который также принимал участие в исследовании, "...или просто раскрутить ее."
В своем испытании исследователи объединили оба метода. Сначала они растягивали резиновые волокна, а затем скручивали их до образования шарика. Когда исследователи скручивали, то температура материала снижалась на 15,5 градусов, когда они также ослабляли деформацию, то температура снижалась на 16,4 градуса. Тот же принцип работал и с другими используемыми полимерными волокнами, например, с леской. Здесь исследователи обнаружили особенность: если они скручивали материал в одном направлении и сминали его в другом, волокна остывали по мере того, как их растягивали. "Это необычно, потому что материалы обычно нагреваются, когда растягиваются," - говорит Бауман.
Технология охлаждения на 20,8 градусов
Никель-титановые проволоки легче всего охлаждались по этой методике. Они считаются особенно перспективными материалами, потому что они обладают запоминанием формы: когда их форма изменяется, они возвращаются в исходное положение. Это меняет их агрегированное состояние.
Однако, в отличие от обычных охлаждающих жидкостей, жидкость не становится газообразной, а сплав чередуется между двумя кристаллическими структурами. Во время фазовых переходов тепло потребляется или высвобождается - проволока нагревается при разрыве или скручивании и охлаждается в противоположном движении. В текущем эксперименте температура такой проволоки во время раскручивания упала на 17 градусов. Если исследователи использовали связку из четырех проводов, то температура снижалась на 20,8 градусов. Ученые также использовали этот материал для создания небольшого испытательного холодильника. Они интегрировали трехслойный никель-титановый проволочный кабель в специально разработанное устройство. Размотав проволоку, они смогли охладить струю воды на 7,7 градусов. По мнению исследователей, если добавить дополнительные циклы замотки и размотки, устройство можно будет охладить еще больше. Для того, чтобы технология работала, проволока должна многократно разматываться в системе, а затем самостоятельно возвращаться в исходное состояние.
Таким образом, компрессор, который многократно сжижает охлаждающую жидкость в холодильнике, оказывается частично интегрированным в материал.
Потребление электроэнергии
По данным межправительственной научной организации "Международный институт холода", холодильники и кондиционеры потребляют около 20 процентов мировой электроэнергии. В связи с индустриализацией развивающихся стран, вероятно, эта цифра значительно возрастает. Поэтому ученые университета Саарланд также занимаются исследованиями никель-титановой проволоки.
Они разработали прототип системы кондиционирования воздуха с использованием этих материалов и представили его на выставке в Ганновере в начале года.
Однако, ни холодильник китайско-американской исследовательской группы, ни система кондиционирования воздуха немецких ученых не готовы к выходу на рынок. Инженеры компании Саарланд продолжают работать над улучшением теплопередачи своих машин. Ученый Бауман говорит: "Одна из проблем заключается в том, чтобы найти материалы, которые имеют длительный срок службы и в то же время способны регенерировать часть механической энергии от вращения."