Οι ψύκτες συμπίεσης με αλλαγή σχήματος

Αφού έχασε την όρασή του από ευλογιά το 1759 σε ηλικία 2 ετών, ο John Gough ανέπτυξε μια αυξημένη αίσθηση της αφής. Ο εκκολαπτόμενος φυσιοδίφης σύντομα έμαθε να αναγνωρίζει τα φυτά με αίσθηση, αγγίζοντας τις τρίχες τους με το κάτω χείλος του και τους στήμονες και τα ύπερα τους με τη γλώσσα του. Έτσι, όταν ως ενήλικας τέντωσε γρήγορα ένα κομμάτι από φυσικό καουτσούκ και ένιωσε την ξαφνική ζεστασιά του στα χείλη του — και την επακόλουθη δροσιά του καθώς χαλάρωνε — κέρδισε αυτό που θεωρούσε την πιο άμεση και πειστική απόδειξη ενός περίεργου φαινομένου.

Περιέγραψε τις παρατηρήσεις του το 1802, παρέχοντας την πρώτη καταγραφή, τουλάχιστον στα αγγλικά, αυτού που σήμερα είναι γνωστό ως το ελαστοθερμιδικό αποτέλεσμα. Είναι μέρος μιας ευρύτερης κατηγορίας θερμιδικών επιδράσεων, στην οποία κάποια εξωτερική σκανδάλη - μια δύναμη, πίεση, ένα μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο - προκαλεί μια αλλαγή στη θερμοκρασία ενός υλικού.

Αλλά οι θερμιδικές επιδράσεις έχουν γίνει κάτι περισσότερο από περιέργεια.

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει όλο και πιο ισχυρά θερμιδικά υλικά. Ο απώτερος στόχος είναι η κατασκευή φιλικών προς το περιβάλλον ψυγείων και κλιματιστικών - οι θερμιδικές συσκευές ψύξης δεν θα διαρρέουν επιβλαβή ψυκτικά μέσα, τα οποία μπορεί να είναι χιλιάδες φορές πιο ισχυρά από το διοξείδιο του άνθρακα ως αέριο θερμοκηπίου. Αλλά οι καλύτερες συσκευές ψύξης απαιτούν καλύτερα υλικά.

Όσο περισσότερο ένα υλικό μπορεί να αλλάξει τη θερμοκρασία του, τόσο πιο αποτελεσματικό μπορεί να είναι. Και τον τελευταίο χρόνο, οι ερευνητές εντόπισαν δύο μοναδικούς τύπους υλικών που μπορούν να αλλάξουν με πρωτοφανή ποσότητα. Το ένα ανταποκρίνεται σε μια εφαρμοζόμενη δύναμη, το άλλο στην πίεση. Είναι και τα δύο ικανά για αλλαγές θερμοκρασίας - "δέλτα Τ" για συντομία - δραματικών 30 βαθμών Κελσίου ή περισσότερο.

«Ποιος θα φανταζόταν ότι θα έπαιρνες ένα υλικό για να σου δώσει ένα δέλτα Τ 30 από μόνο του;» είπε ο Ichiro Takeuchi, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. "Αυτό είναι τεράστιο."

Hot Flash

Ο Gough δεν το ήξερε, αλλά όταν τέντωσε το κομμάτι του καουτσούκ πριν από περισσότερους από δύο αιώνες, παράταξε τα μακριά μόρια μέσα. Η ευθυγράμμιση μείωσε τη διαταραχή στο σύστημα — διαταραχή που μετράται με μια ποσότητα που ονομάζεται εντροπία.

Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η συνολική εντροπία ενός κλειστού συστήματος πρέπει να αυξάνεται ή τουλάχιστον να παραμένει σταθερή. Εάν η εντροπία της μοριακής διαμόρφωσης του καουτσούκ μειωθεί, τότε η εντροπία πρέπει να αυξηθεί αλλού.

Σε ένα κομμάτι καουτσούκ όπως αυτό του Gough, η αύξηση της εντροπίας συμβαίνει στη δονητική κίνηση των μορίων. Τα μόρια ανακινούνται και αυτή η ώθηση στη μοριακή κίνηση εκδηλώνεται ως θερμότητα - μια φαινομενικά κρυφή θερμότητα που ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα. Εάν το λάστιχο τεντωθεί αρκετά γρήγορα, η λανθάνουσα θερμότητα παραμένει στο υλικό και η θερμοκρασία του ανεβαίνει.

Πολλά υλικά έχουν τουλάχιστον ένα ελαφρύ ελαστοθερμιδικό αποτέλεσμα, ζεσταίνονται λίγο όταν πιέζονται ή τεντώνονται. Αλλά για να επιτευχθούν αλλαγές θερμοκρασίας αρκετά μεγάλες ώστε να είναι χρήσιμο σε ένα σύστημα ψύξης, το υλικό θα χρειαζόταν μια πολύ μεγαλύτερη αντίστοιχη αλλαγή στην εντροπία.

Τα καλύτερα ελαστοθερμιδικά υλικά μέχρι στιγμής είναι τα κράματα με μνήμη σχήματος. Λειτουργούν λόγω αλλαγής φάσης, παρόμοια με το υγρό νερό που παγώνει σε πάγο. Σε μία φάση, το υλικό μπορεί να παραμορφωθεί και να παραμείνει στρεβλό. Αλλά αν ανεβάσετε τη θερμότητα, η κρυσταλλική δομή του κράματος μεταβαίνει σε μια πιο άκαμπτη φάση και επανέρχεται σε όποιο σχήμα είχε πριν (εξ ου και το όνομα κράμα μνήμης σχήματος).

Η μετατόπιση της κρυσταλλικής δομής μεταξύ αυτών των δύο φάσεων προκαλεί αλλαγή εντροπίας. Ενώ η εντροπία σχετίζεται με τη διαταραχή ενός συστήματος, περιγράφεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ως μέτρο του αριθμού των διαμορφώσεων που μπορεί να έχει ένα σύστημα. Όσο λιγότερες είναι οι διαμορφώσεις, τόσο λιγότερη εντροπία υπάρχει. Σκεφτείτε ένα ράφι με βιβλία:Υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να αλφαβητιστούν τα βιβλία, αλλά πολλοί τρόποι για να μην αλφαβητιστούν. Έτσι, ένα ράφι με αλφαβητικά βιβλία είναι πιο τακτοποιημένο και έχει λιγότερη εντροπία.

Σε ένα κράμα μνήμης σχήματος όπως το νικέλιο-τιτάνιο -το οποίο έχει δείξει ένα από τα μεγαλύτερα ελαστοθερμιδικά αποτελέσματα- η κρυσταλλική δομή της άκαμπτης φάσης είναι κυβική. Η εύκαμπτη φάση σχηματίζει ρομβοειδή, τα οποία είναι επιμήκεις κύβοι σαν διαμάντια.

Αυτά τα ρομβοειδή έχουν λιγότερες πιθανές διαμορφώσεις από τους κύβους. Σκεφτείτε ότι ένα τετράγωνο θα παραμείνει αμετάβλητο εάν περιστραφεί κατά τέσσερις πιθανές γωνίες:90, 180, 270 ή 360 μοίρες. Ένας ρόμβος, από την άλλη πλευρά, θα φαίνεται ίδιος μόνο μετά από δύο τέτοιες περιστροφές:180 και 360 μοίρες.

Εφόσον η εύκαμπτη φάση έχει λιγότερες δυνατές διαμορφώσεις, έχει λιγότερη εντροπία. Όταν μια εξωτερική δύναμη πιέζει το κράμα ενώ βρίσκεται στην άκαμπτη φάση του, το μέταλλο μεταβαίνει στην εύκαμπτη, χαμηλότερης εντροπίας φάση του. Όπως και με το καουτσούκ του Gough, μια πτώση εντροπίας στη δομή του μετάλλου απαιτεί αύξηση της εντροπίας των ατομικών δονήσεων του, που θερμαίνει το υλικό.

Σε ένα κλιματιστικό ή ψυγείο, θα πρέπει στη συνέχεια να αφαιρέσετε γρήγορα αυτή τη θερμότητα, διατηρώντας παράλληλα το κράμα στην εύκαμπτη, χαμηλής εντροπίας φάση του. Μόλις αφαιρεθεί η δύναμη, το κράμα επιστρέφει στην άκαμπτη, υψηλότερης εντροπίας φάση του. Αλλά για να συμβεί αυτό, η ατομική δομή πρέπει να αποκτήσει εντροπία από τα δονούμενα άτομα του κράματος. Τα άτομα δονούνται λιγότερο και επειδή τέτοιες δονήσεις είναι απλώς θερμότητα, η θερμοκρασία του κράματος πέφτει. Το κρύο μέταλλο μπορεί στη συνέχεια να κρυώσει το περιβάλλον του.

Η πρόοδος σε αυτά τα υλικά ήταν σταθερή. Το 2012, ο Takeuchi και οι συνεργάτες του μέτρησαν μια αλλαγή θερμοκρασίας 17 βαθμών Κελσίου σε σύρματα νικελίου-τιτανίου. Τρία χρόνια αργότερα, ο Jaka Tušek του Πανεπιστημίου της Λιουμπλιάνα και άλλοι παρατήρησαν μια αλλαγή 25 μοιρών σε παρόμοια καλώδια.

Στη συνέχεια, πέρυσι, μια ομάδα με έδρα το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου ανακάλυψε ένα νέο κράμα μνήμης σχήματος νικελίου-μαγγανίου-τιτανίου, το οποίο μπορεί να υπερηφανεύεται για μια «κολοσσιαία» αλλαγή θερμοκρασίας κατά 31,5 βαθμούς. «Μέχρι στιγμής, αυτό το υλικό είναι το καλύτερο», είπε ο Antoni Planes, ένας φυσικός στερεάς κατάστασης στο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης που ήταν μέλος της ομάδας.

Τι το κάνει τόσο καλό; Κατά τη διάρκεια μιας μετάβασης φάσης, τα κράματα νικελίου-μαγγανίου συρρικνώνονται. Επειδή ο όγκος αντιστοιχεί στον αριθμό των πιθανών ατομικών διαμορφώσεων του υλικού, η μείωση του όγκου οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της εντροπίας. "Αυτή η επιπλέον συνεισφορά είναι που κάνει αυτό το υλικό ενδιαφέρον", είπε ο Planes.

Ψύξη υπό πίεση

Ωστόσο, τα κράματα μνήμης σχήματος έχουν περιορισμούς. Συγκεκριμένα, εάν πιέζετε ένα κομμάτι μετάλλου ξανά και ξανά, το υλικό θα κουραστεί.

Εν μέρει για αυτόν τον λόγο, οι ερευνητές επιδίωξαν επίσης «βαροθερμιδικά» υλικά, τα οποία θερμαίνονται όταν ασκείτε πίεση. Είναι η ίδια βασική αρχή:Η πίεση προκαλεί αλλαγή φάσης, μειώνοντας την εντροπία και θερμαίνοντας το υλικό.

Ένα ενδιαφέρον υλικό είναι η νεοπεντυλογλυκόλη, ένας τύπος πλαστικού κρυστάλλου. Αυτό το υλικό είναι μαλακό και παραμορφώσιμο, αποτελούμενο από μόρια συνδεδεμένα χαλαρά σε μια κρυσταλλική δομή.

Τα μόρια της νεοπεντυλκολόλης είναι στρογγυλά και διατεταγμένα σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μόνο ασθενώς και μπορούν να περιστρέφονται σε περίπου 60 διαφορετικούς προσανατολισμούς. Αλλά εφαρμόστε αρκετή πίεση και τα μόρια κολλάνε. Με λιγότερες πιθανές διαμορφώσεις, η εντροπία του υλικού πέφτει.

Η σφριγηλότητα ενός πλαστικού κρυστάλλου σημαίνει ότι η συμπίεσή του μειώνει τον όγκο του, μειώνοντας ακόμη περισσότερο την εντροπία. "Επειδή κατά κάποιο τρόπο βρίσκονται μεταξύ στερεού και υγρού, μπορούν να εμφανίσουν μεγαλύτερες αλλαγές στην εντροπία όταν ασκείτε πίεση", δήλωσε ο Xavier Moya, ένας φυσικός στερεάς κατάστασης στο Πανεπιστήμιο του Cambridge.

Πέρυσι, δύο ομάδες πέτυχαν τα μεγαλύτερα βαροθερμιδικά αποτελέσματα που έχουν καταγραφεί. Καμία ομάδα δεν μέτρησε άμεσα μια αλλαγή θερμοκρασίας, αλλά μια ευρωπαϊκή ομάδα που περιελάμβανε τις Planes και Moya ανέφερε μια αλλαγή εντροπίας 500 τζάουλ ανά κιλό ανά kelvin - τη μεγαλύτερη ποτέ για ένα στερεό, στο ίδιο επίπεδο με τις αλλαγές εντροπίας σε εμπορικά υγρά ψυκτικά. Υπολόγισαν αντίστοιχη μεταβολή θερμοκρασίας τουλάχιστον 40 βαθμών. Μια άλλη ομάδα με έδρα το Εθνικό Εργαστήριο Επιστήμης Υλικών Shenyang στην Κίνα ανέφερε μια αλλαγή εντροπίας 389 J/kg/K.

Ωστόσο, παραμένουν πολλές πρακτικές προκλήσεις. Ενώ τα βαροθερμιδικά υλικά είναι λιγότερο επιρρεπή στην κόπωση από τα ελαστοθερμιδικά υλικά, τα νέα ορόσημα απαιτούσαν κολοσσιαίες πιέσεις χιλιάδων ατμοσφαιρών. Τέτοιες πιέσεις απαιτούν επίσης το υλικό να σφραγιστεί. "Είναι δύσκολο να ανταλλάξετε θερμότητα μεταξύ αυτού του υλικού και του περιβάλλοντος, εάν σφραγίσετε ολόκληρο το σύστημα", είπε ο Tušek.

Πράγματι, η ανταλλαγή θερμότητας δεν είναι απλή, είπε ο Moya. Ωστόσο, εργάζεται σε ορισμένα ιδιόκτητα συστήματα για μια εταιρεία βαροθερμιδικής ψύξης που συνίδρυσε την Barocal, η οποία είναι φιναλίστ για το Global Cooling Prize, έναν διεθνή διαγωνισμό για την εύρεση βιώσιμων τεχνολογιών ψύξης. Ο Takeuchi, εν τω μεταξύ, ίδρυσε την Maryland Energy and Sensor Technologies το 2009 για να εμπορευματοποιήσει την ελαστοθερμιδική ψύξη. Τα εμπορικά προϊόντα αναπτύσσονται με κράματα μνήμης σχήματος με βάση τον χαλκό, τα οποία είναι πιο μαλακά και δεν χρειάζονται τόση δύναμη όσο τα κράματα νικελίου-τιτανίου.

Αντίθετα, ο Planes και ο μακροχρόνιος συνεργάτης του Lluís Mañosa εστιάζουν στις πολυθερμίδες, οι οποίες ανταποκρίνονται σε πολλαπλά ερεθίσματα, όπως η δύναμη και το μαγνητικό πεδίο. Οι πολυθερμιδικές συσκευές θα ήταν πιθανώς πιο περίπλοκες, αλλά πολλαπλά ερεθίσματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ακόμη μεγαλύτερη εντροπία και αλλαγές θερμοκρασίας με υψηλότερη απόδοση. «Οι προοπτικές για το μέλλον είναι πολύ καλές», είπε ο Planes. "Αλλά προς το παρόν είμαστε στην αρχή."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.