Sľubné chladiace využitie elektrokalorického efektu vo vrstve polyméru

Sľubné chladiace využitie elektrokalorického efektu vo vrstve polyméru

Pomocou ľahkého ferroelektrického polyméru sa podarilo vytvoriť malé a pružné zariadenie, ktoré umožňuje dosiahnúť veľkú tepelnú zmenu. Tenká vrstva tejto látky, vložená medzi zdroj a odvod tepla, zabezpečila po jej zelektrizovaní výrazný konečný chladiaci účinok.  Oznámil to sedemčlenný tím vedcov. Výsledky uverejnili vo vedeckom časopise Science.

Dvojaké chladenie

Chladiace systémy poznáme v najrôznejších formách. Od kuchynských chladničiek cez domové a automobilové klimatizácie až po priemyselné mraziarne. Tradične využívajú technológiu stláčania pár. Tá je objemná, zložitá, dosť hlučná a energeticky náročná. 

Podstatne efektívnejšiu alternatívu predstavuje chladenie na báze tuhých látok. Základom je takzvaný elektrokalorický efekt. Nastáva, keď materiál v aktivovanom elektrickom poli vykáže zmenu teploty, ktorá sa ale po vypnutí poľa môže vrátiť do pôvodného stavu.

Prototyp nového pružného elektrokalorického chladiaceho zariadenia.

Zdroj: Rujun Ma et al./Science

Ako to funguje?

Viaceré elektrokalorické polyméry a ich nanokompozity v podobe tenkých vrstiev umožňujú pri izbových teplotách v kombinácii dosiahnúť ochladenie až o vyše 10 stupňov Celzia. Sú to izolanty, takže celý proces chladenia sprevádzajú minimálne energetické straty.

Efektívne chladenie vyžaduje prenos tepla z chladného konca zariadenia na horúci. Nové zariadenie to dosahuje spojením silnej elektrokalorickej reakcie tenkej polymérovej vrstvy s elektrostatickou aktiváciou. Kľúčom je pružnosť tejto vrstvy ako chladiacej látky.

Tepelná pumpa

V bežných chladiacich zariadeniach, založených na stláčaní pár, sa chladiaca látka pri stlačení a rozpínaní prečerpáva medzi chladným a horúcim koncom. Na horúcom sa teplo rozptyľuje, na chladnom sa plyn rozpína, čím klesne jeho teplota, a opäť začne pohlcovať teplo. Tento cyklus sa opakuje znovu a znovu, čo zabezpečuje nepretržité prečerpávanie tepla zo studeného na horúci koniec. A teda chladenie predmetného technického systému. V elektrokalorických chladičoch ale pôvodné keramické materiály a iné súčiastky taký cyklus z viacerých dôvodov nezvládali. Obrat priniesli až elektrokalorické polyméry.

Elektrokalorické polyméry

Sú pružné, takže pôsobia súčasne ako chladiace médium, vytvárajúce teplotnú zmenu, a čerpadlo, efektívne ho prenášajúce medzi chladným a horúcim koncom. S teoretickým ochladením až o vyše 30 stupňov Celzia. S ohľadom na dlhodobú spoľahlivosť prevádzky sa  však väčšina úvah o využitiach obmedzuje na približne 10 stupňov Celzia.

Úspech „v malom“

Vysoko efektívne fungovanie (chladenie o cca 2,8 wattu na 1 gram materiálu), malé rozmery a nízka hmotnosť predurčujú nové zariadenie ako plne konkurencieschopnú chladiacu technológiu. Výhodou je aj možnosť priameho pripojenia k chladenému povrchu. 

Obzvlášť sa to týka chladenia v menšom meradle. Tenký a pružný prototyp sa hodí aj pre chladenie smartfónovej batérie. Členovia tímu dosiahli v tejto konkrétnej súvislosti pokles teploty o vyše 8 stupňov Celzia. Spojením viacerých nových chladičov do série by sa dosiahol väčší chladiaci účinok. Črtá sa riešenie dávneho problému výkonnej nositeľnej elektroniky?

Jedným z potenciálnych medicínskych využití je chladenie bandáží na poraneniach, ako náhrada klasických vreciek s ľadom. Zdroj: Rujun Ma et al./Science

Pestrá paleta možných využití

Elektrokalorické chladiče nepotrebujú kompresory a tak fungujú prakticky bezhlučne. Vysoká efektívnosť ich predurčuje pre použitia napríklad aj v medicíne ako chladiace bandáže miesto vreciek s ľadom prikladaným na zranenia a pri chladení prepravovaných tkanív a orgánov.

Možno si predstaviť aj stolné kompaktné klimatizačné prístroje v kanceláriách či zabudované do stoličiek a kresiel. To by odstránilo potrebu klimatizovať celé miestnosti a sprievodné (nielen) zdravotné komplikácie. Nuž, a popri už spomenutých smartfónoch a inej nositeľnej elektronike, vyžadujúcej chladenie, sa nové chladiče zídu aj v „laboratóriách na čipe“.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 6/2018