Slovenski raziskovalci izdelali prvi prototip elastokaloričnega hladilnika na svetu-Objava v prestižni reviji Nature

Objavil lahde dne

Povzeto po objavi RTV Slo

Na fakulteti za strojništvo so razvili prvi prototip elastokalorične toplotne črpalke. Ta hladi ali greje s pomočjo raztezanja in krčenja kosa superelastične kovine in je – potencialno – učinkovitejša od klasičnih sistemov.

Znanstvena revija Nature je ena najbolj prestižnih tovrstnih publikacij na svetu. Za objavo raziskave v njej je treba zadostiti zelo visokim merilom. Tem je očitno zadostil tudi svež napor Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko (LAHDE), ki deluje v okviru ljubljanske strojne fakultete. Izdelali so prvi prototip regenerativnega elastokaloričnega hladilnika na svetu in z meritvami pokazali, da je že v tej fazi skoraj tako energetsko učinkovit kot klasični hladilniki, potencialno pa še veliko bolj. Izidi so objavljeni v Nature Energy. Prototip je nastal v sodelovanju z Dansko tehnično univerzo.

“Naredili smo prvi takšen sistem na svetu, ki je še v fazi prototipa, svetovna javnost pa je to zelo dobro sprejela. Presegli smo vse dozdajšnje rezultate na podobnih tehnologijah in s tem nekako odprli vrata nadaljnjemu razvoju na tem področju,” je za MMC pojasnil soavtor raziskave in raziskovalec na LAHDE-ju Jaka Tušek.

Leta 2014 je ameriško ministrstvo za energijo med 17 alternativnimi hladilnimi tehnologijami izbralo elastokalorično kot tisto, ki ima največje možnosti za prihodnost. “Mi smo to zdaj prvi tudi eksperimentalno dokazali,” je izjavil.


Kaj počne hladilnik

Hladilnik je naprava, ki določenemu prostoru ali predmetu toploto odvzema in jo odvaja drugam. To, denimo, počne kapljica znoja, ki za izhlapevanje koži “ukrade” nekaj toplotne energije in jo s tem ohladi. V podobnem slogu kuhinjski hladilnik uporabi pline, ki notranjosti odvzemajo stopinje Celzija, dodajajo pa jih kuhinjskemu zraku. Plin je ujet v sistemu cevi, kjer se na eni strani kompresorsko utekočini, na drugi pa se razširi, pri čemer živilom odvzema toplotno energijo. Tako nalagajo fizikalni zakoni termodinamike. Če se proces obrne, je to toplotna črpalka.

Tovrstna kompresorska tehnika je stara že skoraj sto let in ima dve osnovni slabosti, je povedal Tušek. Prvič, energetsko je relativno nizko učinkovita, kar pomeni, da je treba v hladilnik dovesti veliko energije glede na količino hladu, ki ga zagotovi. Drugič, ni ravno zelena. Hladilnikov sicer ne več polnijo s freoni, ki desetkajo ozonsko plast, so pa polnila še vedno vir učinka tople grede, in sicer do petkrat bolj od ogljikovega dioksida.

Enkrat toplo, drugič hladno
Kaj so naredili na LAHDE-ju, da je končalo v prestižni reviji? Namesto plina so vzeli kos superelastične kovine, konkretno zlitine titana in niklja, in ga podvrgli prej omenjenim zakonom termodinamike. Pa še nekaj dodatnim, s kaveljčki, ki omogočajo nadzorovano odvajanje in dovajanje toplote. Zlitina je bila od začetka na sobni temperaturi 20 stopinj Celzija. Kos kovine so hitro raztegnili za štiri odstotke, pri čemer se je segrel za do 35 stopinj Celzija.

Prek segretega materiala so prečrpali vodo, ki je tudi pridobila na toploti – uporabna za gretje po želji. Zlitina se je sočasno ohladila nazaj na sobno temperaturo.

Nato pride faza krčenja. V njej je temperatura kosa kovine padla s sobne temperature pod deset stopinj Celzija, saj je prišlo do povratne fazne deformacije. Spet so čez material spustili vodo, ki se je tokrat ohladila – uporabna za hlajenje nečesa po želji.

“S cikličnim delovanjem in ustreznim prečrpavanjem dobimo na eni strani toplo, na drugi strani pa hladno vodo,” je povedal sogovornik. Cikel se ponavlja, pri čemer je vanj treba vsakič vložiti nekaj energije (perpetuum mobile pač ne obstaja).

Kaj gre noter, kaj pride ven
Vprašanje je, koliko energije je treba porabiti (vnesti v sistem) in koliko hladu sistem z njo “proizvede”. To je hladilna moč. Elastokalorični hladilnik je za zdaj realno manj učinkovit od običajnega hladilnika, navaja Tušek, a poudarja, da je učinkovitost kar primerljiva. Ob tem, da kompresorske hladilnike razvijajo in izboljšujejo že stoletje.

Raziskovalna skupina je izračunala, da hladilno število (COP) novega sistema ob nekaj predpostavkah naraste na 7. Klasični hladilniki ali toplotne črpalke delujejo s COP-jem med 3 in 4. Potencial zelo velik, skoraj podvojen.
Za ogrevanje enodružinske hiše s toplotno črpalko so, denimo, potrebni štirje kilovati energije, zato je za delovanje sistema treba vložiti 1 kilovat elektrike. (COP oz. hladilno število je razmerje med toplotno močjo in vloženo energijo.) En kilovat bi v primeru elastokaloričnega sistema – ob nekaj razvojnih predpostavkah, ki jih je treba še izpolniti – hiši prinesel sedem kilovatov.

“Vprašanje je, kaj damo noter in kaj dobimo ven. Cilj je, da smo učinkovitejši od obstoječih rešitev. Nekako eksperimentalno smo dokazali, da smo že blizu, in to s prvim prototipom.” Zdaj so s specifično močjo in temperaturnim razponom prehiteli vse alternativne hladilne sisteme, z nadaljnjim razvojem pa bodo skoraj zagotovo prehiteli kompresorske hladilnike, meni Tušek. V vsakem primeru je že obstoječa rešitev bistveno prijaznejša do okolja.

Trpežnost na preizkušnji
Precej več dvomom se mu poraja pri sami kovini. Če naj hladilnik deluje deset let, mora prenesti desetine milijonov krčenj in raztezanj – nemogoče s trenutno zlitino titan-nikelj. Toda Tušek spomni na raziskavo univerze v Kielu, leta 2015 objavljeno v reviji Science. Kielčani so z zlitino nikeljtitanbakerkobalt dosegli deset milijonov ciklov in obenem obdržali relativno visok elastokalorični učinek. Sicer je ta material težko proizvesti, toda napredek se nadaljuje. Elastokalorične zlitine razvijajo za številne aplikacije, še največ za medicino, kjer nitinol uporabljajo za žilne opornice.
Slovenska raziskava je zgolj pokazala, da so lahko ti materiali uporabni še na enem področju, in zgolj vprašanje časa je, kdaj bodo rafinirali primerno zlitino zanj, je napovedal.
Cena “ne bi smela biti problem”
Kaj pa cena? Napovedi so nezanesljive, saj se strošek razvoja in izdelave prototipa težko primerja s tehnologijo, ki je že utečena in podvržena ekonomiji obsega. Toda glede na uporabljene materiale cena ne bi smela biti problem, nam odgovori Tušek, saj se da “nikelj in titan v masovnih količinah dobiti relativno poceni”.

Vzporedno še magnetni hladilniki
Ravno stroški so nekoliko upočasnili razvoj drugega hladilnega koncepta: magnetne hladilnike. Nekatere materiale se da hladiti tudi tako, da se izpostavijo magnetnemu polju. Svoje prototipe razvijajo na ljubljanski strojni fakulteti, toda čez čas so prišli do ugotovitve, da je strošek posameznega magnetnega hladilnika lahko več kot tisoč evrov. Temeljijo namreč na redkih, dragih zemljah. Poleg tega je učinek magnetnega hladilnika omejen in težko skalabilen. Če elastokalorični pri nekem vložku temperaturo spremeni za 20 stopinj Celzija, magnetni poskrbi za zgolj dve, tri stopinje. Kljub temu je energetsko še vedno učinkovitejši od klasičnega in okoljsko sprejemljivejši, je poudaril raziskovalec.

Potencialna področja uporabe
Elastokalorične hladilnike se da enostavno skalirati, torej jih prilagajati želeni velikosti in učinku. Tako bi lahko skrbeli za hlajenje posameznih procesorjev v računalnikih ali ogromnih strežniških farm. Ali pa za električne avtomobile. “Vedeti moramo, da električni avtomobili ne bodo imeli več toliko odpadne toplote, to bo problem ogrevanja in ohlajanja. Ravno elastokalorični hladilnik bi lahko odigral pomembno vlogo, saj bi rotacijo, ki je že v avtomobilu, izkoristili za raztezanje in krčenje materiala.” Pa toplotne črpalke, pomivalni stroji … najpozneje bo stvar prišla v kuhinjo, je ocenil Tušek. Časovni termin? Pet let do prvega nišnega prototipa za komercialno rabo, če bodo v razvoj vskočili večji igralci.

Interdisciplinarnost
Razvoj sistema je med prvimi na svetu začel še kot podoktorski raziskovalec na Danski tehnični univerzi (2013-2016) in za to prejel tudi štipendijo H.C. Ørsteda , ki jo dobi deset najboljših mladih raziskovalcev. Zdaj je zaposlen na prej omenjenem LAHDE-ju pod vodstvom profesorjev Alojza Poredoša in Andreja Kitanovskega. “Poleg klasičnih tehnologij je naš laboratorij eden vodilnih na svetu na področju magnetnega hlajenja, saj med okoli 60 prototipi na svetu štirje nastajajo pri nas,” je navedel sogovornik. Razvoj elastokaloričnega hlajenja obenem financira Agencija za raziskovanje (ARRS). Za izdelavo je bila nujna interdisciplinarnost, zato je pri delu sodeloval tudi z očetom, profesorjem Janezom Tuškom, vodjo Laboratorija za varjenje na strojni fakulteti, in z ljubljanskim podjetjem TKC, ki je po Tuškovih navedbah eno vodilnih na svetu na področju laserskega varjenja.