В первом в мире холодильнике, охлаждаемом искусственными мускулами из нитинола, никель-титанового сплава, найдется место всего для одной маленькой бутылочки. Но мини-прототип, который команда под руководством профессоров Стефана Зелеке и Пауля Моцки представит на Ганноверской ярмарке с 22 по 26 апреля, является новаторским: он показывает, что эластокалорический эффект становится жизнеспособным решением для практического применения. Эта экологически чистая технология охлаждения и обогрева гораздо более энергоэффективна и устойчива, чем существующие методы.
Исследовательская группа разрабатывает новую технологию нагрева и охлаждения в рамках многочисленных исследовательских проектов в Саарском университете и Центре мехатроники и технологий автоматизации (ZeMa).
Новая технология, которая теперь интегрирована в небольшой прототип холодильника, основана на невероятно простом принципе: тепло удаляется из пространства путем растяжения проводов и их повторного сжатия. Проволоки с памятью формы, изготовленные из сверхэластичного нитинола, известные как «искусственные мышцы», поглощают тепло в охлаждающей камере и отдают его во внешнюю среду.
«Эластокалорический процесс позволяет нам достигать разницы температур около 20 градусов по Цельсию без использования вредных для климата хладагентов гораздо более энергоэффективным способом, чем современные традиционные технологии»,
— объясняет профессор Стефан Зелеке, который проводит исследования в Саарском университете и Саарбрюккенском центре по мехатронике и технологиям автоматизации (ZeMa).
Эффективность эластокалорийных материалов более чем в десять раз превышает эффективность современных систем кондиционирования или холодильников. Министерство энергетики США и Комиссия ЕС объявили технологию охлаждения, разработанную в Саарбрюккене, наиболее многообещающей альтернативой существующим процессам. Благодаря ей можно извлекать тепло из гораздо большего пространства, чем небольшая холодильная камера, которую инженеры сейчас используют для демонстрации эластокалорийности на Ганноверской ярмарке. Обеспечить теплом также можно гораздо большие помещения, технология применима в системах отопления. Учитывая изменение климата, нехватку энергии и растущий спрос на охлаждение и отопление, этот процесс представляет собой весьма многообещающее решение в будущем.
Для транспортировки тепла исследователи используют особую «суперсилу» искусственных мышц из нитинола. Проволока из этого сплава запоминает свою первоначальную форму и возвращается к ней после деформации или растяжения. Подобно сгибанию мышц, они могут становиться длинными, а затем снова короткими, а также способны напрягаться и расслабляться. Причина этого кроется глубоко внутри нитинола, который имеет две кристаллические решетки — две фазы, способные переходить друг в друга. В отличие от воды, фазы которой бывают твердыми, жидкими и газообразными, обе фазы нитинола являются твердыми.
Во время этих фазовых переходов кристаллической структуры проволоки поглощают тепло и снова выделяют его. «Материал с памятью формы выделяет тепло, когда он растягивается в сверхэластичном состоянии, и поглощает тепло, когда он становится свободным. Эффект усиливается, если несколько проводов связать вместе: из-за большей площади поверхности они поглощают и выделяют больше тепла»,
— объясняет профессор Пол Моцки, профессор в Саарском университете и ZeMa, где он возглавляет подразделение Smart Material Systems.
Хотя на первый взгляд принцип может показаться очень простым, исследовательские вопросы, которые необходимо решить для построения контура охлаждения, очень сложны. В мини-холодильнике, который исследовательская группа планирует представить в Ганновере, специально разработанный запатентованный кулачковый привод непрерывно вращает пучки нитиноловых проволок толщиной 200 микрон вокруг круглой охлаждающей камеры.
«Когда они движутся по кругу, они механически нагружаются с одной стороны, то есть растягиваются, и разгружаются с другой», — объясняет аспирант Лукас Эль, работающий над системой охлаждения. Воздух проходит мимо вращающихся жгутов в охлаждающую камеру, где провода разгружаются и поглощают тепло из воздуха. Воздух непрерывно циркулирует вокруг ненагруженных проводов в охлаждающей камере. Продолжая вращаться, провода отводят тепло из охлаждающей камеры и выделяют его при вытягивании за пределы охлаждающей камеры.
«При использовании этого метода холодильная камера охлаждается примерно до 10–12 градусов по Цельсию»,
— говорит студент Николас Шерер, который проводит исследования в рамках проекта в рамках своей магистерской диссертации.
Инженеры в Саарбрюккене исследуют, как привод удерживает провода в постоянном движении, как выглядят потоки воздуха, каким образом процессы наиболее эффективны, сколько проводов нужно связать в пучок, насколько сильно их следует в идеале растягивать и на какое время, уровень охлаждения и многое другое. Они также разработали программное обеспечение, которое позволяет адаптировать технологию отопления и охлаждения для различных применений, а также моделировать и планировать системы охлаждения. Они также исследуют весь цикл от производства этих материалов.
«Холодильники – это только начало. Мы хотим использовать инновационный потенциал эластокалорий в широком спектре применений, таких как промышленное охлаждение, охлаждение электромобилей для развития электронной мобильности, а также в бытовой технике»,
— объясняет Пол Моцки.
Новая технология является результатом более чем десятилетних исследований в нескольких исследовательских проектах и многочисленных отмеченных наградами проектах докторских диссертаций. В проекте DEPART!Saar исследователи сотрудничают с другими исследовательскими институтами и промышленными партнерами. Целью является создание новых форматов передачи технологий и ускорение пути к рынку. В нескольких исследовательских проектах и проектах докторских диссертаций инженеры также разработали демонстрационный образец охлаждения и нагрева, который работает непрерывно и показывает, как эластокалории могут охлаждать и нагревать воздух.
На Ганноверской ярмарке эксперты из Саарбрюккена также продемонстрируют универсальность своей технологии памяти формы в виде интеллектуальных миниатюрных приводов, энергоэффективных роботизированных захватов и мягких роботизированных рук в форме слоновьих хоботов.
