Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) wraz z partnerami z zagranicy przeanalizowali stan prac nad chłodzeniem kalorycznym, czyli technologią opartą na materiałach stałych zamiast tradycyjnych czynników chłodniczych. Przegląd opublikowany w „Nature Energy” pokazuje, że prototypy osiągają już moce istotne dla praktycznych zastosowań, ale do masowego wdrożenia wciąż daleko.
Dlaczego szuka się alternatywy dla sprężarek
Zapotrzebowanie na chłodzenie rośnie na całym świecie. Według autorów opracowania zużycie energii na chłodzenie pomieszczeń ma do 2050 roku wzrosnąć więcej niż dwukrotnie, a dodatkowo potrzeby zwiększa rozwój sztucznej inteligencji: wydajniejsze centra danych wytwarzają więcej ciepła odpadowego i muszą niezawodnie chronić serwery przed przegrzaniem. Chłodzenie jest też coraz ważniejsze w elektronice, medycynie i logistyce.
Dotychczas rolę tę pełnią głównie systemy sprężarkowe. To technologia dojrzała, ale zużywa dużo prądu, bywa hałaśliwa przez pracę sprężarek, a stosowane w niej czynniki chłodnicze mają duży potencjał tworzenia efektu cieplarnianego.
Jak działa chłodzenie kaloryczne
Metoda wykorzystuje materiały, które nagrzewają się pod wpływem bodźca zewnętrznego, a po jego usunięciu ochładzają się. Bodźcem może być pole magnetyczne lub elektryczne, ciśnienie albo naprężenie rozciągające. W urządzeniu ten efekt pozwala pobierać ciepło w jednym miejscu i oddawać je w innym, podobnie jak w lodówce.
Kierująca przeglądem dr Jingyuan Xu z KIT podkreśla zalety tego podejścia: „Chłodzenie kaloryczne ma dwie kluczowe zalety: nie wymaga czynników o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego i może zmniejszyć zużycie energii”.
Na jakim etapie są prototypy
Część urządzeń wyszła już poza etap czysto laboratoryjnych demonstracji. Układy wykorzystujące pole magnetyczne przekraczają moc chłodniczą trzech kilowatów, co jest zakresem istotnym dla większych zastosowań. Prototypy napędzane mechanicznie przekroczyły jeden kilowat. Mniejsze urządzenia na polu elektrycznym mogłyby sprawdzić się w elektronice lub urządzeniach noszonych.
Problemem pozostaje różnica między parametrami samego materiału a wydajnością gotowego urządzenia. Straty ciepła, zmęczenie materiału i niepełny odzysk pracy w cyklu chłodzenia obniżają końcowe osiągi. Kluczowa jest też trwałość: urządzenia muszą wytrzymać wiele milionów cykli, by niezawodnie działać latami, a do tego szybko pobierać i oddawać ciepło przy jak najmniejszym zużyciu energii.
Co to oznacza w praktyce
Autorzy nie spodziewają się, że w najbliższym czasie nowe systemy wyprą klasyczne chłodzenie. Ich zdaniem najpierw znajdą zastosowanie tam, gdzie tradycyjne rozwiązania napotykają ograniczenia, na przykład gdy urządzenie ma pracować bardzo cicho albo gdy trzeba unikać czynników o dużym wpływie na klimat. O tym, które systemy się do tego nadają, mają zdecydować ujednolicone testy i demonstratory zorientowane na konkretne zastosowania.
Dla polskiego czytelnika to na razie perspektywa raczej długoterminowa, a nie oferta sklepowa. Temat ma jednak związek z kierunkiem, w jakim zmierza Europa: unijne przepisy o gazach fluorowanych stopniowo ograniczają stosowanie czynników chłodniczych szkodliwych dla klimatu, co zwiększa zainteresowanie alternatywami. Nie oznacza to, że chłodzenie kaloryczne wkrótce trafi do klimatyzatorów czy lodówek domowych; pierwsze zastosowania prawdopodobnie będą niszowe, w elektronice, aparaturze specjalistycznej czy tam, gdzie liczy się cisza pracy.
Warto śledzić ten kierunek również dlatego, że rosnące upały i rozbudowa centrów danych sprawiają, iż każde rozwiązanie obniżające zużycie energii na chłodzenie może mieć realne znaczenie dla rachunków i sieci energetycznej.
Źródło: Tech Xplore – „Solid-state cooling advances toward practical use, but challenges remain”
