Hiina teadlased on näidanud, et komposiitmaterjalile pinge rakendamine elektrivälja abil kutsub esile suure ja pöörduva kaloriefekti. See uudne viis kaloriefekti suurendamiseks ilma magnetväljata võib avada uusi võimalusi tahkisjahutuseks ning viia energiasäästlikumate ja kergemate külmikuteni.
Rahvusvaheline külmutusinstituut hindab seda 20% kogu maailmas kasutatavast elektrienergiast kulutatakse aur-kompressioonjahutusele – seda tehnoloogiat kasutatakse tavalistes külmikutes ja kliimaseadmetes. Veelgi enam, nendes süsteemides kasutatavad külmutusagensid on võimsad kasvuhoonegaasid, mis aitavad oluliselt kaasa globaalsele soojenemisele. Selle tulemusena püüavad teadlased välja töötada keskkonnasõbralikumaid jahutussüsteeme.
Jahutussüsteeme saab valmistada ka täiesti pooljuhtsüsteemidest, kuid need ei suuda praegu enamiku tavarakenduste puhul auru kokkusurumisega konkureerida. Tänapäeval kasutab enamik kaubanduslikke tahkisjahutussüsteeme Peltieri efekti, mis on kõrge hinna ja madala efektiivsusega termoelektriline protsess.
Välised väljad
Kalormaterjalidel põhinevad tahkis-jahutussüsteemid pakuvad nii kõrget jahutustõhusust kui ka kasvuhoonegaaside heitkoguseid nulli ning on kujunemas paljutõotavateks kandidaatideks aurukompressioonitehnoloogia asendamiseks. Nendes süsteemides kasutatakse külmutusagensina tahket materjali, mis välise välja (elektriline, magnetiline, pinge või surve) mõjul läbib temperatuuri muutuse – seda nähtust nimetatakse kaloriefektiks.
Seni on enamus tahkis-kalorite jahutussüsteemide uuringuid keskendunud magnetilistele külmutusagensidele. Praktilistel külmutusagensitel peab aga toatemperatuuril olema märkimisväärne kalorsus ja selliseid materjale on üldiselt raske leida. Üks potentsiaalne materjal on Mn3SnC, millel on märkimisväärne kaloriefekt, kui see puutub kokku magnetväljadega, mis on suuremad kui 2 T. Kuid nii kõrge magnetvälja kasutamine nõuab kallite ja mahukate magnetite kasutamist, mis pole otstarbekas.
Nüüd, Peng Wu ja kolleegid ShanghaiTechi ülikoolist, Shanghai mikrosüsteemide ja infotehnoloogia instituudist, Hiina teaduste akadeemia ülikoolist ja Pekingi Jiaotongi ülikoolist on kaotanud vajaduse magnetite järele, ühendades Mn.3SnC kiht pliitsirkonaattitanaadi (PZT) piesoelektrilise kihiga.
Magnetite kaotamine
Aastal kirjeldatud katsete seerias Acta Material, meeskond täheldas pöörduvat kaloriefekti ilma magnetvälja vajaduseta. Saavutatud adiabaatiline temperatuurimuutus oli umbes kaks korda suurem kui Mn puhul3SnC 3 T magnetvälja juuresolekul.
Kalorite efekti täheldati materjalile elektrivälja rakendamisel, mis indutseerib PZT-s pinge vastupidise piesoelektrilise efekti kaudu. Tüvi kantakse PZT kihist üle Mn3SnC kiht, mille tulemuseks on Mn magnetilise järjestuse muutumine3SnC. See põhjustab materjalis temperatuurilanguse kuni 0.57 K. Elektrivälja eemaldamisel tõuseb temperatuur sama väärtuse võrra.
Wu räägib Füüsika maailm et ta sai selle idee mikroelektromehaanilistest süsteemidest (MEMS), mis kasutavad käivitamiseks sageli piesoelektrilisi materjale. Wu sõnul võib elektrivälja vahendatud pinge kasutamine aidata kaotada vajadust kulukate ja suurte magnetite järele, luues tõhusama ja säästvama jahutussüsteemi.
Väljakutsuv mõõtmine
Kalorite efekti mõõdetakse kas temperatuuri adiabaatilise muutuse või isotermilise entroopia muutuse hindamisega. Nii tööstuses kui ka teadustöös on eelistatud meetod temperatuurimuutus. Kuigi see on puhaste puistematerjalide jaoks lihtne katse, on seda äärmiselt raske teha seadmepõhise komposiitmaterjali puhul, mis on allutatud elektriväljale.
Kolossaalne elastokaloriefekt võib viia paremate külmikuteni
Mõõtmiseks kasutasid Wu ja kolleegid süsteemi, mis oli varustatud Mn külge kinnitatud termopaari sondiga3SnC pind adiabaatilises keskkonnas täpselt kontrollitud magnetvälja ja temperatuuriga.
Mõõtmissüsteemi täpsuse hindamiseks viisid teadlased läbi mitu magnetokaloriefekti mõõtmist temperatuurivahemikus 275–290 K. Nad suutsid jälgida temperatuurimuutusi kuni 0.03 K, kontrollides seega süsteemi kõrge eraldusvõimega temperatuurivõimet.
Wu usub, et meeskonna töö on läbimurre temperatuurimuutuste otsesel mõõtmisel, arvestades väljakutset teha adiabaatiline temperatuuri mõõtmine, rakendades samal ajal PZT-le pinget. Ta lisab: "See temperatuuri mõõtmise lähenemisviis võib olla kasulik ka muude termoelektrooniliste seadmete jaoks." Siiski rõhutab Wu, et „süsteem ei ole täielikult adiabaatiline; see võib põhjustada soojuskadu, mistõttu on vaja soojuse mõõtmist veelgi täiustada.
Huvitav ja seletamatu
Meeskond jälgis temperatuuri mõõtmise ajal ka väga huvitavaid ja ootamatuid nähtusi. "Ükskõik, kas rakendatakse positiivset või negatiivset elektrivälja, on Mn pinnatemperatuur3SnC väheneb alati, ”ütleb Wu. Teadlased leidsid ka, et komposiidile magnetvälja rakendades saavutas Mn pinnatemperatuur3SnC tõuseb, samas kui elektrivälja rakendamine toimib vastupidiselt ja põhjustab temperatuuri langust. Wu ütleb, et meeskond ei mõista neid tähelepanekuid veel.
Teadlaste eesmärk on nüüd uurida Mn kontrastse käitumise taga olevat füüsikat3SnC/PZT magnet- ja elektriväljade all. Temperatuuri mõõtmise süsteemi edasiseks täiustamiseks püüavad nad lahendada ka soojuskao probleemi.
