MIT-onderzoekers hebben een nieuwe manier aangetoond om ongebruikte warmte van automotoren op te slaan. industriële machines, en zelfs zonneschijn totdat het nodig is. Centraal in hun systeem staat wat de onderzoekers een "faseovergangsmateriaal" noemen dat een grote hoeveelheid warmte absorbeert als het smelt en het weer vrijgeeft als het opnieuw stolt.

Eenmaal gesmolten en geactiveerd door ultraviolet licht, het materiaal slaat de geabsorbeerde warmte op totdat een straal zichtbaar licht stolling en warmteafgifte veroorzaakt. De sleutel tot die controle zijn toegevoegde moleculen die reageren op licht door van vorm te veranderen van een die stolling belemmert naar een die dit toelaat. In een proof-of-concept-experiment de onderzoekers hielden een monstermengsel in vloeibare vorm tot kamertemperatuur - volledig 10 graden Celsius lager dan waar het had moeten stollen - en dan, na 10 uur, gebruikte een lichtstraal om stolling teweeg te brengen en de opgeslagen thermische energie vrij te geven.

Meer dan de helft van alle energie die wordt gebruikt om mechanische, chemisch, en andere processen wordt als warmte in de omgeving uitgestoten. Energiecentrales, auto motoren, en industriële processen, bijvoorbeeld, grote hoeveelheden warmte produceren, maar een relatief klein deel ervan gebruiken om daadwerkelijk werk te doen. En terwijl zonlicht overvloedige stralingsenergie levert, de fotovoltaïsche apparaten van tegenwoordig zetten slechts een fractie daarvan om in elektriciteit. De rest wordt gereflecteerd of geabsorbeerd en omgezet in warmte die ongebruikt blijft.

De uitdaging is om een ​​manier te vinden om al die thermische energie op te slaan totdat we het willen gebruiken. Jeffrey Grossman, de Morton en Claire Goulder en Family Professor in Environmental Systems en professor in materiaalkunde en techniek, werkt al meer dan een decennium aan dat probleem.

Een goede manier om thermische energie op te slaan is door gebruik te maken van een faseovergangsmateriaal (PCM) zoals was. Verwarm een ​​stevig stuk was, en het zal geleidelijk warmer worden - totdat het begint te smelten. Als het overgaat van de vaste naar de vloeibare fase, het blijft warmte opnemen, maar zijn temperatuur zal in wezen constant blijven. Zodra het volledig gesmolten is, de temperatuur zal opnieuw beginnen te stijgen naarmate er meer warmte wordt toegevoegd. Dan komt het voordeel. Terwijl de vloeibare was afkoelt, het zal stollen, en zoals het is, het zal al die opgeslagen faseveranderingswarmte vrijgeven - ook wel latente warmte genoemd.

PCM's worden nu gebruikt in toepassingen zoals zonneconcentratoren, verwarmingssystemen bouwen, en zonnekokers voor afgelegen gebieden. Maar hoewel PCM's veel warmte kunnen afgeven, er is geen manier om precies te controleren wanneer ze het doen. De timing hangt af van de temperatuur van de lucht om hen heen.

"Je kunt een batterij opladen, en het zal de elektriciteit opslaan totdat je het wilt gebruiken, zeggen, in uw mobiele telefoon of elektrische auto, ", zegt Grossman. "Maar mensen moeten hun zonnekoker opwarmen als de zon schijnt, en tegen de tijd dat ze eten willen maken, het kan heel goed zijn dat hij al zijn opgeslagen warmte heeft afgegeven aan de koele avondlucht."

PCM's zijn dus een zeer succesvol middel gebleken voor het opslaan van thermische energie, maar het op een nuttige manier terugkrijgen is een uitdaging gebleven. "Wat we nodig hadden, was een trigger die ons controle zou geven over de timing van de warmteafgifte, ’ zegt Grosman.

Moleculen die kunnen triggeren

Een paar jaar geleden, Grossman begon zich af te vragen of hij misschien al de trigger had die hij nodig had. In verwant werk, zijn groep had de opslag van energie bestudeerd in speciale moleculen die fotoschakelaars worden genoemd.

Schijn een bepaalde golflengte van licht op een fotoschakelaar, en zijn vorm zal veranderen. Dezelfde atomen zijn aanwezig, maar hun oriëntatie ten opzichte van elkaar verschuift. Bovendien, ze blijven in die verschoven configuratie totdat ze worden blootgesteld aan een andere golflengte van licht. Dan zullen ze terugspringen naar hun oorspronkelijke vorm, het vrijgeven van thermische energie in het proces.

De groep van Grossman heeft goede vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van fotoschakelaars voor het opslaan van energie, maar de moleculen hebben een belangrijke beperking:ze kunnen alleen door licht in hun energieopslagconfiguratie worden geschakeld. Als resultaat, ze kunnen niet worden opgeladen met restwarmte van auto's of andere machines of zonneschijn.

Dus begonnen Grossman en voormalig postdocs Grace Han en Huashan Li van het Department of Materials Science and Engineering de mogelijkheid te onderzoeken om een ​​fotoschakelaar op een nieuwe manier te gebruiken - als een trigger voor het regelen van het vrijkomen van energie uit een faseovergangsmateriaal.

"We zouden de chemie kunnen aanpassen zodat het heel goed overeenkomt met het faseovergangsmateriaal als het in één vorm is, maar als we het veranderen, het past niet meer, ’, legt Grossman uit.

Indien gemengd met een gesmolten PCM in de niet-overeenkomende vorm, de fotoschakelaar zou voorkomen dat het een vaste stof wordt, zelfs niet onder de normale stollingstemperatuur. Door een andere golflengte van licht te laten schijnen, zou de fotoschakelaar terug kunnen keren naar zijn overeenkomende structuur. De PCM zou dan stollen, het vrijgeven van zijn opgeslagen latente warmte.

Proof-of-concept testen

Om de haalbaarheid van die aanpak te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een conventionele PCM genaamd tridecaanzuur en maakten een speciale variatie van het fotoschakelaarmolecuul azobenzeen, die bestaat uit twee aan elkaar gekoppelde ringen van atomen die zich in verschillende posities ten opzichte van elkaar kunnen bevinden.

In de "trans"-vorm van het molecuul, de ringen zijn plat - de van nature voorkomende grondtoestand. In zijn "cis"-vorm, een van de benzeenringen is 56 graden gekanteld ten opzichte van de andere, zeggen de onderzoekers. Het schakelt van de ene vorm naar de andere als reactie op licht. Schijn ultraviolet (UV) licht op de platte versie, en het zal draaien. Schijn zichtbaar licht op de gedraaide versie, en het zal afvlakken.

Figuur 1 in de bovenstaande diavoorstelling laat zien wat Grossman de thermische energieopslag- en afgiftecyclus noemt en illustreert de rol die de azobenzeenfotoschakelaar speelt als een laaggeconcentreerde "doteringsstof" (een materiaal dat wordt toegevoegd om de eigenschappen van een stof te veranderen). Wanneer het PCM-azobenzeenmengsel, of composiet, vast is met het azobenzeen in zijn trans-vorm, de twee bestanddelen pakken stevig samen. Bij verhitting, het composiet absorbeert thermische energie, en de PCM smelt. Door het te zappen met UV-licht verandert de azobenzeendotering van trans in cis. Als dat mengsel afkoelt, het cis-azobenzeen voorkomt het stollen van het PCM, zodat de latente warmte opgeslagen blijft. Belichting met zichtbaar licht schakelt het azobenzeen terug in zijn trans-vorm. Het mengsel kan nu stollen, daarbij zijn opgeslagen latente warmte vrijgeven.

Uit een reeks tests bleek dat hun systeem goed werkte. Door een ultraviolette lamp (met een golflengte van 365 nanometer) op het vloeibare mengsel te laten schijnen, veranderden de meeste van de uitgangstrans-azobenzeenmoleculen in hun cis-vorm. Toen het eenmaal was opgeladen, het mengsel stolde niet, zelfs niet bij kamertemperatuur - volledig 10 Celsius lager dan waar het zou zijn zonder de geladen fotoschakelaars in het mengsel.

Belichten van de vloeistof met zichtbaar licht (450 nm) gedurende 30 seconden activeerde het stollen en het vrijkomen van de opgeslagen latente warmte. Bovendien, in wezen kwam alle latente warmte eruit - weinig of niets was verloren gegaan door lekkage. "Met de toegevoegde schakelaars, de thermische energie is opgesloten, ", zegt Grossman. "Als gevolg hiervan, er is misschien minder behoefte aan de zware isolatie die wordt gebruikt om te voorkomen dat warmte uit conventionele PCM's lekt."

Toen de onderzoekers het zichtbare licht niet op hun mengsel lieten schijnen, ze ontdekten dat het gedurende 10 uur vloeibaar bleef bij temperaturen onder het oorspronkelijke stolpunt. Het mengsel begon toen geleidelijk te stollen, zijn opgeslagen warmte afgeven.

Om de duurzaamheid en herhaalbaarheid van het systeem aan te tonen, de onderzoekers schakelden het heen en weer - tussen opladen en ontladen - 100 keer gedurende meer dan 50 uur. Tijdens de eerste ontlaadstap, de kristalliniteit van de PCM is iets veranderd ten opzichte van het uitgangsmateriaal, maar daarna, de structuur bleef ongewijzigd.

Andere tests bevestigden het belang van het zorgvuldig selecteren of ontwerpen van een fotoschakelaar die effectief samenwerkt met een specifieke PCM. Opnieuw, de fotoschakelaar moet goed mengen met de vloeibare PCM om de composiet te vormen en moet veranderen, wanneer geactiveerd door licht, tussen twee verschillende structuren die vermengen met of interfereren met de pakking van de geselecteerde PCM. De onderzoekers ontdekten ook dat het optimaliseren van de concentratie van de photoswitch in de PCM van cruciaal belang is. Wanneer het te laag is, het zal de stolling niet verstoren. Wanneer het te hoog is, het ultraviolette licht kan niet volledig in het mengsel doordringen, en de doteringsmoleculen kunnen met elkaar reageren, samenklonteren in plaats van goed te verdelen en PCM-verpakking te voorkomen.

Basisprincipes van een praktisch apparaat

Grossman benadrukt dat het werk tot nu toe een proof of principle is. "Er is veel werk aan de winkel om applicaties te maken op basis van dit concept, " hij zegt.

Maar de onderzoekers stellen zich het volgende type apparaat voor:het mengsel zou worden bewaard in een container met vensters die kunnen worden afgedekt om de lichtinval te regelen. Een warmtewisselaar zou thermische energie van de zon of een andere bron aan de PCM-composiet leveren, en een aparte LED- of gasontladingslamp zou tegelijkertijd UV-licht door de onbedekte ramen naar binnen sturen om de azobenzeendotering op te laden. De ramen zouden dan worden afgedekt om thermische opslag mogelijk te maken, zelfs toen het mengsel tot kamertemperatuur daalde.

Wanneer warmteafgifte gewenst is, de ramen zouden worden blootgelegd, en de vloeibare composiet zou worden blootgesteld aan omgevingslicht of aan blauw LED-licht voor een snellere reactie. De ramen zouden gemaakt zijn van gewoon borosilicaatglas, die meer dan 90 procent van het relevante UV- en zichtbare licht zou doorlaten, en een roerder in de container zou helpen voorkomen dat de azobenzeenmoleculen aan elkaar plakken.

Films, kralen, en verschillende materialen

De groep van Grossman werkt verder aan de toepassing en verbetering van het WKO-concept. Bijvoorbeeld, ze onderzoeken het mogelijke gebruik ervan als een nieuw systeem voor de-icing - een onderwerp dat Grossman voortdurend interesseert, die opmerkt dat de elektrische auto's van tegenwoordig zoveel batterijvermogen verbruiken voor ontdooien en verwarmen dat hun actieradius bij koud weer met 30 procent kan afnemen. Een veel betere benadering zou zijn om thermische energie op te slaan in een dunne, transparante film en veroorzaakt een explosie van hitte wanneer het nodig is om die lastige laag ijs te smelten.

"Met dat in gedachten, we wilden zien of we dunne films van ons materiaal konden maken over grotere gebieden en het hetzelfde gedrag konden laten vertonen dat we zagen in onze laboratoriummonsters, " zegt Grossman. Ze hebben hun vloeibare PCM-composiet op een glasplaat afgezet, leg er nog een vel op, en verzegelde het. Ze ontdekten dat ze het mengsel konden opladen met UV-licht en het later met zichtbaar licht konden ontladen. om de opgeslagen faseovergangsenergie weer als warmte terug te krijgen. Bovendien, ze konden het selectief doen, zodat een deel van de film stolde en de rest vloeibaar bleef.

Ander werk richt zich op het ontwerpen van een zonnekoker die warmte kan opslaan nadat de zon ondergaat, langer dan de 10 minuten die typisch zijn voor de beste modellen van vandaag, die nog steeds afhankelijk zijn van conventionele PCM's voor opslag. Een PCM-composiet zou het beter kunnen doen, behalve één nadeel:aangezien het van vast naar vloeibaar gaat, het verandert ook in volume - mogelijk genoeg om de container te beschadigen.

Om dat gedrag te voorkomen, Cedric Viry, een afgestudeerde student in materiaalkunde en engineering en een fellow in het Tata Center for Technology and Design, werkt aan het inkapselen van het composiet in kleine kralen met schelpen gemaakt van silica of calciumcarbonaat. De beperkte composiet zal de nodige faseveranderingen ondergaan, maar de sterke schaal beperkt de enorme volumeverandering die optreedt in een onbeperkt mengsel. De ingekapselde kralen kunnen in andere vloeistoffen worden gesuspendeerd, en betere methoden om licht in de materialen te brengen zijn mogelijk. "Zodra we de micro-inkapseling aan het werk krijgen, er zullen nog veel meer toepassingen zijn, ’ zegt Grosman.

Eindelijk, de onderzoekers breiden hun concept uit naar verschillende materialen en temperatuurbereiken. "We hebben een aantal interessante en belangrijke technische aspecten ontdekt van hoe het systeem werkt, ", zegt Grossman. "In het bijzonder, hoe de PCM's en fotoschakelaars op moleculair niveau samenwerken."

Dat fundamentele begrip heeft hen al in staat gesteld om systemen te ontwikkelen die PCM's met verschillende moleculaire structuren gebruiken, met name met kettingen in plaats van ringen van atomen - samen met fotoschakelaars die voor elk zijn geoptimaliseerd. In de toekomst, Grossman is van mening dat ze systemen moeten kunnen ontwikkelen die meer thermische energie kunnen opslaan en in verschillende temperatuurbereiken kunnen werken, inclusief de lage temperaturen die van belang zijn voor biomedische en elektronische toepassingen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.