Σχετικά Άρθρα
Η Haier λανσάρει αντλία θερμότητας αέρα-νερού προπανίου για εμπορικές εφαρμογές (PV Magazine)
Για δεκαετίες οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι η μεταφορά θερμότητας μέσα στα στερεά υλικά καθορίζεται κυρίως από τη δομή τους και τις φυσικές τους ιδιότητες. Τώρα, μια εντυπωσιακή ανακάλυψη ανατρέπει αυτή την εικόνα: η θερμότητα μπορεί να «κατευθύνεται» με τη βοήθεια του ηλεκτρισμού.
Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Οχάιο και την εταιρεία Amphenol Corporation, κατάφεραν να αυξήσουν τη θερμική αγωγιμότητα ενός ειδικού κεραμικού υλικού σχεδόν τρεις φορές προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PRX Energy, ανοίγει τον δρόμο για μια νέα γενιά τεχνολογιών ψύξης, ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής απόδοσης και συστημάτων που αξιοποιούν καλύτερα την ενέργεια.
Το ηλεκτρικό πεδίο μεταμορφώνει την κίνηση των ατόμων
Η θερμότητα στα στερεά υλικά μεταφέρεται κυρίως μέσω των φωνονίων - μικροσκοπικών δονήσεων των ατόμων που λειτουργούν σαν «κύματα» μεταφοράς θερμικής ενέργειας.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σε ένα ειδικό κεραμικό υλικό, τα φορτία στο εσωτερικό του ευθυγραμμίζονται.
Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως πόλωση (poling), αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα φωνόνια.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: τα φωνόνια που κινούνταν παράλληλα με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου μπορούσαν να ταξιδεύουν πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις πριν διαταραχθούν.
Με απλά λόγια, το ηλεκτρικό πεδίο λειτουργεί σαν ένας «διάδρομος ταχείας κυκλοφορίας» για τη θερμότητα, μειώνοντας τα εμπόδια που συνήθως επιβραδύνουν τη μεταφορά της.
Θερμότητα που ταξιδεύει σχεδόν τρεις φορές καλύτερα
Οι προηγούμενες έρευνες σε παρόμοια υλικά είχαν δείξει μικρές βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα, της τάξης του 5% έως 10%.
Όμως η νέα μελέτη ξεπέρασε κάθε προσδοκία.
Οι μετρήσεις έδειξαν ενίσχυση της θερμικής μεταφοράς που πλησιάζει το 300%.
«Το εντυπωσιακό αποτέλεσμα οφείλεται κυρίως στο ότι τα φωνόνια μπορούν να ταξιδεύουν πολύ περισσότερο πριν σταματήσουν», εξήγησε ο Michael Manley, ανώτερος ερευνητής του ORNL.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι δεν αυξήθηκε μόνο η ταχύτητα των δονήσεων των ατόμων, αλλά και ο χρόνος ζωής τους μέσα στο υλικό.
Όσο περισσότερο διαρκεί η κίνηση των φωνονίων χωρίς συγκρούσεις, τόσο πιο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμότητα.
Τα νετρόνια αποκάλυψαν το «μυστικό» στο εσωτερικό του υλικού
Για να κατανοήσουν τι συνέβαινε σε ατομικό επίπεδο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες τεχνικές σκέδασης νετρονίων στην εγκατάσταση Spallation Neutron Source του ORNL.
Τα νετρόνια επέτρεψαν στους επιστήμονες να παρατηρήσουν ταυτόχρονα:
- τη θέση των ατόμων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα,
- τον τρόπο με τον οποίο κινούνται,
- τη συμπεριφορά των φωνονίων που μεταφέρουν θερμότητα.
Οι μετρήσεις έδειξαν ξεκάθαρα ότι το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί συνθήκες όπου οι θερμικές δονήσεις διαταράσσονται λιγότερο, επιτρέποντας στη θερμότητα να ρέει πιο ελεύθερα.
Ένα νέο κεφάλαιο για τα «έξυπνα» κεραμικά υλικά
Η έρευνα επικεντρώθηκε σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται χαλαρωτικά σιδηροηλεκτρικά κεραμικά (relaxor-based ferroelectrics).
Τα υλικά αυτά έχουν την ιδιαίτερη ικανότητα να αλλάζουν τις εσωτερικές ηλεκτρικές τους ιδιότητες όταν δέχονται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο.
Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές όπου απαιτείται δυναμικός έλεγχος της θερμότητας.
Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν:
- ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής ισχύος, όπου η απομάκρυνση της θερμότητας είναι κρίσιμη,
- στερεάς κατάστασης συστήματα ψύξης χωρίς κινούμενα μέρη,
- θερμοηλεκτρικές συσκευές που μετατρέπουν θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια,
- βιομηχανικά συστήματα ανάκτησης απορριπτόμενης θερμότητας.
Η αρχή μιας νέας εποχής στον έλεγχο της θερμικής ενέργειας
Η δυνατότητα να ρυθμίζουμε όχι μόνο πόση θερμότητα μεταφέρεται αλλά και προς ποια κατεύθυνση κινείται, αποτελεί ένα σημαντικό βήμα στη μηχανική της ενέργειας.
Όπως δήλωσε η ερευνήτρια Puspa Upreti του ORNL, ο έλεγχος της ταχύτητας και του τρόπου ροής της θερμότητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε συσκευές που διαχειρίζονται τη θερμική ενέργεια πολύ πιο αποδοτικά.
Η νέα ανακάλυψη δείχνει ότι το μέλλον της τεχνολογίας ίσως δεν εξαρτάται μόνο από το πώς παράγουμε ενέργεια, αλλά και από το πόσο έξυπνα μπορούμε να ελέγξουμε κάθε μικρό «κύμα» θερμότητας που κινείται μέσα στα υλικά γύρω μας.
www.worldenergynews.gr
