От простых холодильников и кондиционеров до сложных холодильных систем, используемых в промышленных процессах, поддержание прохлады является важной частью современной жизни. Глобальное потепление и растущее население мира приводят к увеличению потребности в энергоэффективных системах охлаждения. Но низкие температуры часто означают высокое потребление электроэнергии, что, в свою очередь, часто приводит к значительному углеродному следу и риску выбросов хладагентов, которые обычно обладают высоким потенциалом глобального потепления. Исследовательская группа академических и промышленных партнеров под руководством профессора Стефана Зеелеке из Саарландского университета и Центра мехатроники и автоматизации (ZeMA) в настоящее время разрабатывает экологически чистую систему охлаждения.
Наш процесс энергоэффективен и не требует использования вредных для климата хладагентов. «Фактически, наша технология в 15 раз эффективнее, чем системы на основе обычных хладагентов», — пояснил Стефан Зеелеке. И Европейская комиссия, и Министерство энергетики США оценили новый процесс и считают его наиболее перспективной альтернативой используемой в настоящее время парокомпрессионной холодильной технологии.

Команда Зеелеке разработала первый в мире прототип непрерывно работающего устройства, охлаждающего воздух с помощью нового процесса. Технология охлаждения, которую команда представит на Ганноверской выставке в этом году, использует искусственные мышечные волокна, состоящие из пучков сверхтонких нитей с эффектом памяти формы, изготовленных из никель-титанового сплава «нитинол». Эти нити обладают особым свойством возвращаться к своей первоначальной форме после растяжения или другой деформации. Таким образом, они способны напрягаться и расслабляться, подобно человеческим мышцам.

Причина такого поведения кроется в структуре металлического сплава. Атомы в сплаве расположены в кристаллической решетке. Если никель-титановая проволока деформируется или растягивается, слои атомов в кристаллической решетке смещаются относительно друг друга, создавая напряжение в материале. Это напряжение снимается, когда проволока возвращается к своей первоначальной форме. Эти изменения в кристаллической структуре материала известны как фазовые переходы, и они приводят к тому, что проволоки поглощают или выделяют тепло. Именно этот эффект Зеелеке и его команда используют в своей новой системе охлаждения. Материал с эффектом памяти формы выделяет тепло при механической нагрузке в сверхэластичном состоянии и поглощает тепло из окружающей среды при снятии нагрузки. И этот эффект особенно выражен в случае нитинола. «Когда предварительно натянутые нитиноловые нити снимаются при комнатной температуре, они охлаждаются до 20 градусов», — объясняет Стефан Зеелеке, заведующий кафедрой интеллектуальных материальных систем в Саарландском университете. «

Мы используем это свойство для рассеивания тепла», — объясняет Сюзанна-Мари Кирш, которая участвовала в разработке системы охлаждения в рамках своего докторского исследовательского проекта. «Основная идея заключается в том, чтобы позволить сверхэластичным нитям с эффектом памяти формы расслабиться и, таким образом, охладить пространство, отводя тепло», — пояснила Кирш. Тепло, поглощенное нитями с эффектом памяти формы, высвобождается наружу, когда нити снова натягиваются в окружающей среде.

Однако система охлаждения в Саарбрюкене значительно сложнее. Команда разработала контур охлаждения, в котором запатентованный кулачковый привод вращается, попеременно растягивая и расслабляя пучки нитиноловой пряжи толщиной 200 микрон для максимально эффективной передачи тепла. Воздух продувается через пучки пряжи в двух отдельных камерах: в одной воздух нагревается, а в другой охлаждается. Это позволяет машине одновременно охлаждать и нагревать. «При механической нагрузке проволоки нагреваются примерно на 20 градусов, поэтому этот процесс можно использовать и как тепловой насос», — объясняет Феликс Вельш, который также работал над прототипом системы в рамках своей докторской диссертации. В зависимости от используемого сплава, мощность нагрева или охлаждения этой новой технологии в тридцать раз превышает механическую мощность, необходимую для загрузки и разгрузки пучков проволоки из сплава. Это делает новую систему значительно лучше, чем существующие в настоящее время традиционные тепловые насосы и холодильники.

Система охлаждения — результат многолетних исследований в рамках различных проектов, многочисленных отмеченных наградами докторских диссертаций и тесного сотрудничества с группой под руководством профессора Андреаса Шютце из Саарландского университета. Финансирование частично осуществлялось Немецким фондом исследований (DFG) в рамках приоритетной программы «Железное охлаждение». Благодаря сочетанию экспериментальных исследований и численных моделей исследователи смогли оптимизировать основные механизмы и определить, сколько нитиноловых проводов следует включать в пучок или какой уровень нагрузки проводов необходим для достижения определенной степени охлаждения. На основе этих результатов исследовательская группа теперь может адаптировать систему под конкретные задачи. Они разработали программный пакет, позволяющий моделировать, планировать и корректировать системы охлаждения для конкретных применений.

В настоящее время команда из Саарбрюккена работает над несколькими проектами по дальнейшей оптимизации процесса теплопередачи и, таким образом, еще большему повышению эффективности новой технологии. Цель состоит в достижении стадии, когда практически вся энергия фазового перехода будет использоваться для нагрева или охлаждения.

Исследователи из команды Зеелеке в настоящее время разрабатывают свою эластокалорическую технологию для использования в качестве системы охлаждения в электромобилях. С января 2022 года команда работает с академическими и промышленными партнерами над финансируемым правительством совместным проектом NEKKA, целью которого является разработка новой эластомерной системы охлаждения. Проект получит в общей сложности 6 миллионов евро финансирования, из которых около 1 миллиона евро будет выделено команде из Саарбрюккена на их проект по охлаждению электромобилей. Наша цель — разработать, математически смоделировать и проверить альтернативную систему кондиционирования воздуха, которая может использоваться во всех классах транспортных средств. Система сможет нагревать и охлаждать автомобиль и, в то же время, будет более эффективной, более экологичной и более устойчивой, чем другие системы, доступные в настоящее время. «Наша технология также станет более компактной, легкой и экономичной», — объясняет Пол Моцки, инженер-исследователь и управляющий директор команды Seelecke.
Для разработки этой и других интеллектуальных материальных систем для коммерческого и промышленного применения исследователи из Лаборатории интеллектуальных материальных систем основали дочернюю компанию «mateligent GmbH».