בעתיד, ייתכן שיהיה צורך "לעוות" את קירור המקרר בלבד

שיטת קירור יעילה יותר, חסכונית באנרגיה, ירוקה וניידת היא הכיוון של חקר אנושי בלתי פוסק. לאחרונה, מאמר מקוון בכתב העת Science דיווח על אסטרטגיית קירור גמישה חדשה שהתגלתה על ידי צוות מחקר משותף של מדענים סינים ואמריקאים - "קירור חום פיתול". צוות המחקר מצא ששינוי הטוויסט בתוך הסיבים יכול להשיג קירור. בשל יעילות קירור גבוהה יותר, גודל קטן יותר ותחולה על חומרים רגילים שונים, "מקרר החום המעוות" המיוצר על בסיס טכנולוגיה זו הפך גם הוא למבטיח.

הישג זה מגיע ממחקר שיתופי של הצוות של פרופסור ליו צונפנג ממעבדת המפתח של המדינה לביולוגיה רפואית, בית הספר לרוקחות, ומעבדת המפתח לפולימר פונקציונלי של משרד החינוך של אוניברסיטת ננקאי, והצוות של ריי ה. באוגמן , פרופסור לאוניברסיטת טקסס סטייט, סניף דאלאס, ויאנג שישיאן, דוקטור מאוניברסיטת ננקאי.

פשוט להוריד את הטמפרטורה ולסובב אותה

על פי נתוני המכון הבינלאומי לחקר הקירור, צריכת החשמל של מזגנים ומקררים בעולם מהווה כיום כ-20% מצריכת החשמל העולמית. העיקרון הנפוץ של קירור דחיסת אוויר בימינו הוא בדרך כלל בעל יעילות קרנו של פחות מ-60%, והגזים המשתחררים בתהליכי קירור מסורתיים מחמירים את ההתחממות הגלובלית. עם הביקוש הגובר לקירור על ידי בני אדם, חקר תיאוריות ופתרונות קירור חדשים לשיפור יעילות הקירור, הפחתת עלויות והקטנת גודל ציוד הקירור הפכה למשימה דחופה.

גומי טבעי יפיק חום כאשר הוא נמתח, אך הטמפרטורה תרד לאחר נסיגה. תופעה זו נקראת "קירור תרמי אלסטי", שהתגלתה כבר בתחילת המאה ה-19. עם זאת, כדי להשיג אפקט קירור טוב, יש למתוח את הגומי מראש לפי 6-7 מאורך עצמו ולאחר מכן למשוך אותו לאחור. זה אומר שקירור דורש נפח גדול. יתרה מכך, יעילות הקרנו הנוכחית של "קירור תרמי" נמוכה יחסית, בדרך כלל רק כ-32%.

באמצעות טכנולוגיית "קירור פיתול", החוקרים מתחו את אלסטומר הגומי הסיבי פעמיים (100% מתיחה), ואז קיבעו את שני הקצוות וסובבו אותו מקצה אחד ליצירת מבנה Superhelix. לאחר מכן, התרחש פיתול מהיר, וטמפרטורת סיבי הגומי ירדה ב-15.5 מעלות צלזיוס.

תוצאה זו גבוהה מאפקט הקירור בטכנולוגיית 'קירור תרמי אלסטי': הגומי שנמתח פי 7 יותר מתכווץ ומתקרר ל-12.2 מעלות צלזיוס. עם זאת, אם הגומי מעוות ומוארך, ולאחר מכן משתחרר בו זמנית, ה'קירור התרמי הפיתול' יכול להתקרר ל-16.4 מעלות צלזיוס. ליו זונפנג אמר שתחת אותו אפקט קירור, נפח הגומי של 'קירור תרמי פיתול' הוא רק שני שלישים מזה של גומי 'קירור תרמי אלסטי', ויעילות ה-Carnot שלו יכולה להגיע ל-67%, עדיפה בהרבה מעיקרון האוויר. קירור דחיסה.

ניתן לקרר גם חוט דיג וחוט טקסטיל

חוקרים הציגו שעדיין יש מקום רב לשיפור בגומי כחומר "קירור חום פיתול". לדוגמא, לגומי יש מרקם רך ודורש פיתולים רבים כדי להגיע לקירור משמעותי. מהירות העברת החום שלו איטית, ויש לקחת בחשבון נושאים כמו שימוש חוזר ועמידות החומר. לכן, חקר חומרי "קירור פיתול" אחרים הפך לכיוון פריצת דרך חשוב עבור צוות המחקר.

מעניין לציין שתוכנית 'קירור חום פיתול' חלה גם על חוטי דיג וטקסטיל. בעבר, אנשים לא הבינו שניתן להשתמש בחומרים הרגילים הללו לקירור, "אמר ליו זונפנג.

החוקרים סובבו תחילה את סיבי הפולימר הנוקשים הללו ויצרו מבנה סליל. מתיחת הסליל יכולה להעלות את הטמפרטורה, אך לאחר חזרת הסליל, הטמפרטורה יורדת.

הניסוי מצא כי באמצעות טכנולוגיית "קירור חום פיתול", חוט קלוע מפוליאתילן יכול ליצור ירידה בטמפרטורה של 5.1 מעלות צלזיוס, בעוד החומר נמתח ישירות ומשתחרר כמעט ללא שינוי בטמפרטורה. העיקרון של 'קירור חום פיתול' של סיבי פוליאתילן מסוג זה הוא שבמהלך תהליך התכווצות המתיחה, הפיתול הפנימי של הסליל פוחת, מה שמוביל לשינויים באנרגיה. Liu Zunfeng אמר שהחומרים הקשים יחסית הללו עמידים יותר מסיבי גומי, וקצב הקירור עולה על זה של הגומי גם כאשר הם מתוחים קצרים מאוד.

חוקרים מצאו גם שיישום טכנולוגיית "קירור חום פיתול" על סגסוגות זיכרון בצורת ניקל טיטניום עם חוזק גבוה יותר והעברת חום מהירה יותר מביא לביצועי קירור טובים יותר, ורק פיתול נמוך יותר נדרש כדי להשיג אפקט קירור גדול יותר.

לדוגמה, על ידי פיתול ארבעה חוטי סגסוגת ניקל טיטניום יחד, ירידת הטמפרטורה המקסימלית לאחר ביטול הפיתול יכולה להגיע ל-20.8 מעלות צלזיוס, וירידת הטמפרטורה הממוצעת הכוללת יכולה להגיע גם ל-18.2 מעלות צלזיוס. זה מעט גבוה יותר מקירור 17.0 מעלות צלזיוס שהושג באמצעות טכנולוגיית 'קירור תרמי'. מחזור קירור אחד לוקח רק כ-30 שניות", אמר ליו זונפנג.

טכנולוגיה חדשה תוכל לשמש במקררים בעתיד

בהתבסס על טכנולוגיית "קירור חום פיתול", חוקרים יצרו דגם מקרר שיכול לקרר מים זורמים. הם השתמשו בשלושה חוטי סגסוגת ניקל טיטניום כחומרי קירור, כשהם מסתובבים 0.87 סיבובים לסנטימטר כדי להשיג קירור של 7.7 מעלות צלזיוס.

לגילוי הזה יש עוד דרך ארוכה לפני המסחור של 'מקררי חום מעוותים', עם הזדמנויות וגם אתגרים", אמר ריי באומן. Liu Zunfeng מאמין שטכנולוגיית הקירור החדשה שהתגלתה במחקר זה הרחיבה מגזר חדש בתחום הקירור. זה יספק דרך חדשה להפחית את צריכת האנרגיה בתחום הקירור.

תופעה מיוחדת נוספת ב"קירור חום פיתול" היא שחלקים שונים של הסיב מציגים טמפרטורות שונות, אשר נגרמות מהתפלגות תקופתית של הסליל שנוצר על ידי פיתול הסיב לאורך כיוון הסיב. החוקרים ציפו את פני השטח של חוט סגסוגת ניקל טיטניום בציפוי Thermochromism כדי להפוך סיבים לשינוי צבע "קירור פיתול". במהלך תהליך הפיתול והפיתול, הסיב עובר שינויי צבע הפיכים. זה יכול לשמש כסוג חדש של אלמנט חישה למדידה אופטית מרחוק של פיתול סיבים. לדוגמה, על ידי התבוננות בשינויי צבע בעין בלתי מזוינת, ניתן לדעת כמה סיבובים עשה החומר מרחוק, שהוא חיישן פשוט מאוד. "Liu Zunfeng אמר כי בהתבסס על העיקרון של" קירור חום פיתול ", ניתן להשתמש בסיבים מסוימים גם עבור בדים חכמים לשינוי צבע.