Elastokaloriske materialer

Trykk og trekk skal kjøle ned matvarene dine

Spesielle materialer blir kaldere eller varmere når de blir strukket ut eller presset sammen. Nå vil forskere utnytte materialene til å skape framtidens klimavennlige kjøleskap og klimaanlegg.

Spesielle materialer blir kaldere eller varmere når de blir strukket ut eller presset sammen. Nå vil forskere utnytte materialene til å skape framtidens klimavennlige kjøleskap og klimaanlegg.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ta en strikk mellom fingrene og strekk den ut så langt du kan.

Hvis du gjør det raskt nok, vil strikken bli varmere enn den var da den lå sammentrukket i håndflaten din. Slipper du strikken, vil den bli avkjølt til sin opprinnelige temperatur.

Strikken er et eksempel på den elastokaloriske effekten som forskere arbeider for å utnytte. Nye typer materialer blir utsatt for mekaniske påvirkninger – for eksempel ved å bli presset sammen eller trukket i – og kan på den måten endre temperatur med opptil 30 grader celsius.

I løpet av de siste par årene har forskere i Kina, USA og Spania klart å skape en temperaturforskjell på 31,5 grader i et materiale basert på nikkel og mangan.

Hvis fysikerne klarer å øke temperaturforskjellen enda mer og løse en rekke tekniske utfordringer, kan de elastokaloriske materialene brukes til å bygge framtidens grønne og energivennlige kjøleskap, varmepumper og klimaanlegg.

Gummimolekyler ordnes på langs

Oppvarmingen og avkjølingen av strikken som beskrevet i eksempelet kan virke underlig, men alt sammen er basert på kjente fysiske prinsipper fra termodynamikkens verden.

Når det blir presset sammen eller strukket ut, endrer materialet temperatur med over tretti grader.

Termodynamikken er et område av fysikken som blant annet beskriver hvordan varme, trykk og energi påvirker og vekselvirker med hverandre i materialer.

En av termodynamikkens pionerer var den franske fysikeren Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832), som blant annet brukte termodynamikken til å framsette en teori om teoretiske grenser for effektiviteten av motorer. På den tiden ble Carnots oppdagelser brukt til å forbedre dampmaskinen.

I en motor blir energi i form av varme gjort om til mekanisk energi i et stempel som via aksler får hjulene til å snurre og toget til å kjøre.

Hvis vi vender tilbake til strikken som blir trukket i, skjer det omvendte. Her er det den mekaniske bevegelsen i gummien som danner varme.

Forklaringen ligger i fenomenet entropi, som er et uttrykk for graden av uorden i molekylene i et materiale.

Termodynamikkens andre lov sier nemlig at graden av entropi i for eksempel et glass vann, hvis det blir overlatt til seg selv, vil være konstant eller øke. Et system blir med andre ord mer uordnet enn det var fra før, hvis det endrer tilstand – som is som smelter.

Entropieksempler
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Trykk og temperatur endrer formen

Entropi er et begrep fra termodynamikken og har å gjøre med tilstanden i et materiale. Både trykk, temperatur og volum er med på å avgjøre tilstanden.

Smeltende is øker entropien

Is som smelter i et glass vann, eller sukker som blir oppløst i en kopp kaffe, er eksempler på entropi. Glasset med is ta opp varme (entropien øker) helt til glasset når temperaturen i rommet.

Molekyler kommer i uorden

Isen og sukkeret beveger seg fra orden til uorden, fra molekyler i en ordnet struktur til oppbrutte, kaotiske strukturer. Prosessen beskrives av termodynamikkens andre lov.

Hvis vi vender tilbake til strikken, vil entropien avta og strikken kjøles ned når strikken blir strukket ut, men det betyr samtidig at entropien økes et annet sted i systemet for å bevare det samlede nivået av entropi. En annen del av strikken blir med andre ord varmere.

Metaller endrer krystallstruktur

Men hva har dette med framtidens kjøleskap å gjøre? Fysikerne bruker naturligvis ikke strikker i laboratoriet når de arbeider for å utvikle effektive og slitesterke elastokaloriske materialer. Her er det i stedet de såkalte minnemetallene som viser vei.

Dette er legeringer av ulike metaller, for eksempel nikkel, mangan og titan, som når de blir utsatt for en kraft i form av et mekanisk trykk eller strekk kan endre temperatur på grunn av den elastokaloriske effekten.

Varmepumpe på DTU

Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har utviklet en varmepumpe der et elastokalorisk materiale avgir varme (røret nederst til høyre) og kulde (røret øverst til høyre).

© Kurt Engelbrecht, DTU

Navnet minnemetall kommer av at legeringene «husker» den opprinnelige molekylære tilstanden sin når trykket eller strekket fjernes.

I praksis endrer metallene krystallstruktur når de utsettes for for eksempel et trykk. Det kaller fysikerne å gå fra en austenittisk struktur, der molekylene befinner seg i et kubisk gitter, til en martensittisk struktur, der gitteret består av romber eller diamantformer.

I overgangen mellom de to tilstandene blir legeringene varmet opp, og en sirkulerende væske tar opp varmen og frakter den videre i systemet.

Neste skritt er å fjerne trykket fra legeringen, som da kjøles ned igjen – men som nå har blitt enda kaldere sammenlignet med det opprinnelige utgangspunktet, og den prosessen kan for eksempel brukes til å kjøle ned matvarene våre.

Teknologi kan forbedre kjøleskap

I et vanlig kjøleskap pumper en kompressor rundt gass i et kretsløp. Underveis skifter den fra væske- til gassform, og den prosessen skaper kulde.

I moderne kjøleskap har den prosessen blitt kraftig forbedret, men det er fortsatt lang vei til den teoretiske maksimale ytelsen. I dag leverer prosessen omtrent tjue prosent av det maksimale i kjøleskap.

Køleskabsteknologi
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Materialer presser fram kulde i kjøleskapet

Når et elastokalorisk materiale trykkes sammen og slippes løs igjen, skaper det en kjølesyklus som kan erstatte prosessen i moderne kjøleskap.

Stempel trykkes ned
© Ken Ikeda Madsen

1. Trykk varmer materiale

Et stempel presser mot et elastokalorisk metall utenfra. Trykket gir uorden i materialets struktur og får det til å endre form, noe som skaper varme i kammeret. Varmen får en væske som omslutter materialet, til å utvide seg.

Damp sendes rundt
© Ken Ikeda Madsen

2. Væsken sendes videre

En enveisventil åpnes til høyre i trykkammeret slik at væsken får lov å strømme videre. På grunn av ventilen kan væsken bare gå i én retning. Dermed strømmer den videre i systemet for å jevne ut trykket.

Materiale køler igen
© Ken Ikeda Madsen

3. Materiale kjøles ned igjen

Stemplet blir nå trukket ut igjen, og rommet kjøles ned. Trykket blir senket, og dermed kjøles det elastokaloriske materialet i kammeret også ned. Kammeret blir kaldt fordi molekylene igjen får en ordnet struktur, og entropien faller.

Trykket falder
© Ken Ikeda Madsen

4. Kulde skyter ut

Trykket faller til et lavere nivå enn i det foregående kammeret. Deretter åpner enveisventilen til venstre i systemet, og den kalde væsken får lov å kjøle naborommet igjen før prosessen begynner forfra.

Med elastokaloriske materialer håper forskerne at de kan forbedre effektiviteten av kjølingen i et kjøleskap med 10–20 prosent i forhold til de aller beste kjøleskapene på markedet i dag.

Det kan få stor betydning for strømforbruket i verden. Kjøleskap, klimaanlegg og varmepumper utgjør 25–30 prosent av det samlede strømforbruket i dag.

I Europa blir omkring 70 prosent av alle matvarer i dag holdt avkjølt eller i frossen tilstand, og andre steder i verden, der kjøleskap og frysere er av eldre dato, kan forbedringen bli enda større.

En annen fordel med de elastokaloriske materialene er at de ikke krever drivhusgasser i kjølesyklusen, og i tillegg vil kjøleskap kunne fungere uten like mye støy og vibrasjoner.

Men forskerne må fortsatt løse flere utfordringer før vi kan bestille et elastokalorisk kjøleskap.

Temperatur må over 35 grader

I tidlige prototyper fra for eksempel danske DTU kunne materialet bare tåle 6000–7000 sykluser der materialet ble utsatt for trykk.

Senere har materialet blitt forbedret til omkring 100 000 sykluser.

Elastokaloriske kjøleskap vil kunne fungere uten like mye støy og vibrasjoner som i vanlige kjøleskap.

Forskerne mener det ikke vil være noe teknisk problem å nå 1 million eller 10 millioner sykluser, og det er den størrelsesordenen materialene må kunne klare for å være brukbare i den virkelige verden.

En annen utfordring er temperaturforskjellen – av forskerne kalt delta T. Rekorden er nå 31,5 grader celsius.

Temperaturforskjellen bør over 35 grader for å kunne brukes i et kjøleskap.

Andre forskere arbeider med en alternativ løsning, såkalte barokaloriske materialer, der det ikke er et mekanisk trykk, men endringer i lufttrykk som skaper temperaturforskjellen.

Et team forskere i Spania, Frankrike og Storbritannia har allerede klart å endre entropien i materialet like mye som i et moderne kjøleskap.

Dermed er det håp for at framtidens kjøleskap både kan bytte ut miljøbelastende drivhusgasser med sammenpressede metallegeringer og gjøre nedkjøling av matvarer mer klimavennlig.