Isıyı Soğuğa Dönüştüren Elektriksiz Soğutma Sistemi Geliştirildi

Isıyı kullanarak soğutma yapmak ilk bakışta kulağa oldukça ters geliyor. Ancak Almanya’daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ve Japonya’daki Tsukuba Üniversitesi’nden bilim insanları, tam olarak bunu gerçekleştiren deneysel bir sistem geliştirdi. Araştırmacılar, bir malzemenin ısıyı mekanik harekete, başka bir malzemenin ise bu hareketi soğutmaya dönüştürmesini sağladı.

Haberi okuduğunuz için teşekkürler, bizi takip etmeyi unutmayın!

Elastokalorik soğutma, geleneksel buzdolapları ve klima sistemlerinde kullanılan kompresör ve soğutucu akışkanların aksine, mekanik gerilme ile malzemenin sıcaklık değişimini yaratan bir yöntemdir.

Bu yöntemde, şekil hafızalı alaşımlar gerildiğinde veya sıkıştırıldığında kristal yapılarında değişiklik meydana gelir. Yük kaldırıldığında ise yapı tersine döner ve bu süreçte ısı emilir, böylece malzeme katı hâlde çalışan bir soğutucu görevi üstlenir.

Mevcut elastokalorik sistemlerin en büyük zorluğu, alaşımın sürekli olarak gerilip serbest bırakılmasının gerekliliğidir. Bu işlem genellikle elektrik motorları veya hidrolik aktüatörler tarafından sağlanır, bu da sistemin çalışması için elektrik enerjisi talep eder.

Bu sorunu aşmak için KIT ve Tsukuba Üniversitesi araştırmacıları, soğutucu alaşımı hareket ettirmek amacıyla yine bir şekil hafızalı alaşım kullanan bir yaklaşım geliştirdi. Deneysel cihazda 22 µm kalınlığında titanyum‑nikel (TiNi) film, termal aktüatör olarak görev yaparken, 26,5 µm kalınlığındaki titanyum‑nikel‑demir (TiNiFe) film soğutucu görevi üstlenir.

Jingyuan Xu, sistemin yeniliğini iki farklı şekil hafızalı alaşımın tamamlayıcı özelliklerinin birleşimi olarak tanımlıyor: “Bir film ısıyı mekanik işe, diğer film ise bu mekanik işi soğuğa dönüştürüyor.”

İlk testlerde TiNi aktüatörü elektriksel dirençle ısıtıldı. Aktüatörün ortalama maksimum sıcaklığı 86 °C seviyesine ulaştığında TiNiFe soğutucu tek başına 12,9 K sıcaklık farkı oluşturdu. Isı eşanjörleri ve sistemin diğer bileşenleri de hesaba katıldığında, cihazın tamamında 20 döngünün ardından 4,0 K sıcaklık farkı elde edildi.

Daha dikkat çekici bir deneyde araştırmacılar elektrikli ısıtmayı tamamen ortadan kaldırarak aktüatörü 130 °C sıcaklığındaki harici bir katı ısı kaynağıyla ısıttı. Sistem bu koşullarda da çalışmaya devam etti ve 2,2 K sıcaklık farkı oluşturdu. Bu testte cihazın sıcak tarafı başlangıç sıcaklığından yaklaşık 1,2 °C daha sıcak, soğuk tarafı ise yaklaşık 1,0 °C daha soğuk hale geldi. Elde edilen soğutma gücü 2,09 mW olurken, aktif soğutucu malzeme başına 3,32 W/g değerine ulaşıldı.

TiNi film ısıtıldığında büzülüyor. Isı uzaklaştırıldığında ise önceden belirlenmiş şekline geri dönerek TiNiFe filmini geriyor. Bu gerilme, soğutucu alaşımda stres kaynaklı bir faz dönüşümü başlatıyor ve malzeme ısı açığa çıkarıyor. Açığa çıkan ısı bir ısı emiciye aktarıldıktan sonra aktüatör soğuyor ve gevşiyor. Bunun sonucunda TiNiFe üzerindeki mekanik yük azalıyor, alaşım eski kristal yapısına geri dönüyor ve bu sırada çevresinden ısı çekerek soğuyor. Aktüatör yeniden ısıtıldığında döngü baştan başlıyor.

Henüz bir fizibilite çalışması niteliğindeki prototip, maksimum soğutma kapasitesi için optimize edilmemiştir. Araştırmacılar bir sonraki aşamada birden fazla filmi paralel şekilde bağlayarak sistemin soğutma kapasitesini artırmayı hedefliyor.

Teknolojinin potansiyel kullanım alanları oldukça geniştir. Örneğin bilgisayar işlemcileri tarafından ortaya çıkan atık ısı, yine işlemcinin soğutulması için kullanılabilir. Benzer şekilde otomobillerde aktarma organlarından çıkan ısı, hassas elektronik bileşenlerin soğutulmasında değerlendirilebilir. Güneş enerjisiyle elde edilen ısının da sisteme aktarılması mümkün olabilir, bu da elektrik enerjisine ihtiyaç duymadan çalışan sürdürülebilir ve kompakt soğutma sistemlerinin geliştirilmesine kapı aralayabilir.

Araştırmacılar, teknolojinin ölçeklendirilmesiyle birlikte yaygın olarak bulunan atık ısı kaynaklarını kullanabilen kompakt katı hâl soğutma sistemleri geliştirmeyi hedefliyor.