Almanya ve Japonya’dan Çığır Açan Gelişme: Motor Kullanmadan Isıyla Soğutma Sistemi.

Enerji tüketiminin önemli bir kısmının ısı ile mücadele için harcandığı günlerin sonuna gelinmesi mümkün olabilir. Almanya’nın Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ve Japonya’nın Tsukuba Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, “dünyanın ilk” ısı güdümlü, elastokalorik katı hal soğutma sistemini geliştirdi.

İlginç bir şekilde, bu sistem elektrik motorlarına ihtiyaç duymuyor ve doğrudan ortam ısısından, atık ısını veya güneş ışığından çalışıyor. Sistem, elektrik motoruna olan ihtiyacı ortadan kaldırmak için iki adet ultra ince nikel-titanyum (NiTi) şekil hafızalı alaşım filminden oluşuyor.

“Önemli yenilik, şekil hafızalı alaşımların iki tamamlayıcı fonksiyonunu birleştirmemizdir; bir film ısıyı mekanik işe dönüştürürken, diğer film bu işi soğukluğa dönüştürür,” diye açıklayan KIT’in ZEco Thermal Lab’ındaki Genç Araştırmacı Grubu lideri Dr. Jingyuan Xu, “Bu sayede, katı hal soğutmasını çalıştırmak için yeni bir yaklaşım oluşturuyoruz ve böylece atık ısı ve güneş enerjisinin kullanımında heyecan verici olanaklar sunuyoruz.”

Soğutma ve ısıtma, küresel enerji tüketiminin yaklaşık yarısını oluşturuyor. Aynı zamanda, kimyasal soğutucular atmosfere kaçmaya devam ederek iklim krizini şiddetlendiriyor. Erken dönemdeki katı hal “elastokalorik” malzemeler, bu alaşımların gerildiğinde ve salındığında soğuduğu için daha çevre dostu bir yol sunuyordu. Ancak, bu erken dönem sistemleri hala mekanik kuvveti sağlamak için elektriğe ihtiyaç duyuyordu.

Yeni yaklaşım, tamamen elektrik bağlantısını keserek, iki adet kağıt ince nikel-titanyum filmin tandem olarak çalışmasını sağlıyor. İlk film, sistemin iç motoru görevi görüyor. Bu şekil hafızalı alaşım, ısıya maruz kaldığında hızla büzülerek, termal enerjiyi doğrudan güçlü bir mekanik çekme kuvvetine dönüştürüyor ve elektrik motoruna ihtiyaç duymuyor. Bu mekanik etki, ikinci filmi gererek soğutucu görevi görmesini sağlıyor. Yük salındığında, metalin içindeki yapısal değişiklikler sıcaklığı önemli ölçüde düşürerek doğrudan ısıdan soğuk hava üretiyor.

Sistem, 22 mikrometre boyutunda tek yönlü şekil hafızalı alaşım aktüatör filmi ile 26.5 mikrometre boyutunda süperelastik alaşım soğutucu film kullanıyor. Mini aktüatör folyo, 14.5 N/mm’lik yüksek kuvvet-hareket oranı üretiyor; bu da benzer ticari elektromekanik aktüatörlerden on kat daha iyi performans gösteriyor.

İlk denemelerde, prototip başarılı bir şekilde uygulanabilirliğini kanıtlayarak, 86°C’lik (186°F) bir aktüatör giriş sıcaklığıyla, 4°C’lik (39°F) bir bileşen seviyesinde sıcaklık düşüşü ve elastokalorik malzemede yaklaşık 13°C’lik (55°F) soğutma sağladı. Sistem ayrıca, dış kaynaklardan gelen ısı kaynakları tarafından beslendiğinde dahi güvenilir bir şekilde çalışarak gerçek dünya koşullarında da yetenekli olduğunu gösterdi.

“Bizim için dönüm noktası, ısı güdümlü bir sistemin gerçekten soğukluk ürettiğini ölçebildiğimiz andı. Bu, prensibin sadece teoride değil pratikte de işe yaradığını gösterdi,” diye belirtti IMT’deki doktora adayı ve çalışmanın başyazarı Yi-Ting Hsiau.

Çalışmaya göre, elastokalorik soğutma mevcut kompakt teknolojilerden çok daha verimli. Maksimum teorik soğutma verimliliğinin %84’üne ulaşabiliyor; bu da diğer termoelektrik soğutma modüllerinin gerisinde kalmıyor.

Mevcut prototipler erken dönem uygulanabilirlik modelleri olsa da, araştırmacılar sistemin soğutma kapasitesini artırmak için birden fazla alaşım filmi paralel olarak bağlayarak çalışıyor. Gelecekteki uygulamalar arasında, işlemci atık ısısını kullanarak bilgisayar çiplerinin kendi kendine soğutulması ve şanzıman ısısını kullanarak otomotiv elektroniğinin soğutulması yer alıyor.

Yüksek performanslı bilgisayar çipleri yakında kendi atık ısınlarını kullanarak soğuyabilecek. Elektrikli araçlar, şanzımandan gelen termal atığı kullanarak hassas kabin elektroniklerini soğutabilecek.