Wetenschappers van de Universiteit van Maryland (UMD) hebben een nieuw elastocalorisch koelmateriaal ontwikkeld, bestaande uit een nikkel (Ni)-titanium (Ti) legering en gebeeldhouwd met behulp van additieve technologie, dat is zeer efficiënt, milieuvriendelijk en gemakkelijk op te schalen voor commercieel gebruik. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op 29 nov.

Koeltechniek, gebruikt in koel- en HVAC-systemen over de hele wereld, is een miljardenbusiness. Dampcompressie koeling, die al meer dan 150 jaar de markt domineert, heeft niet alleen een plateau bereikt op het gebied van efficiëntie, maar gebruikt ook chemische koelmiddelen met een hoog aardopwarmingsvermogen (GWP). Elastocalorische koeling in vaste toestand, waar spanning wordt uitgeoefend op materialen om (latente) warmte vrij te geven en te absorberen, is de laatste tien jaar in ontwikkeling en loopt voorop in de zogenaamde alternatieve koeltechnologieën. Vormgeheugenlegeringen (SMA's) blijken een significant elastocalorisch koelend effect te vertonen; echter, aanwezigheid van hysterese - werk verloren in elke cyclus en oorzaak van materiaalmoeheid en uiteindelijk falen - blijft een uitdaging.

Daartoe, een internationaal team van medewerkers onder leiding van UMD A. James Clark School of Engineering Professor Ichiro Takeuchi heeft een verbeterd elastocalorisch koelmateriaal ontwikkeld met behulp van een mengsel van nikkel- en titaniummetalen, gesmeed met een 3D-printer, dat niet alleen potentieel efficiënter is dan de huidige technologie, maar is helemaal 'groen'. Bovendien, het kan snel worden opgeschaald voor gebruik in grotere apparaten.

"Op dit gebied van alternatieve koeltechnologieën, het is erg belangrijk om zowel aan het materiaaluiteinde te werken, evenals het einde van de systemen - we hebben het geluk dat we een hooggekwalificeerd team van experts hebben bij UMD College Park om aan beide kanten te werken, " zei professor Takeuchi. "Pas wanneer deze twee inspanningen nauw op elkaar aansluiten, boek je snel vooruitgang, waar ons team toe in staat was."

Relatief gesproken, er zijn drie klassen van calorische koeltechnologie:magnetocalorisch, elektrocalorisch en elastocalorisch - die allemaal 'groen' en damploos zijn. Magnetocalorisch, de oudste van de drie, is al 40 jaar in ontwikkeling en staat nu op het punt om gecommercialiseerd te worden.

"De behoefte aan additieve technologie, ook wel bekend als 3D-printen, op dit gebied is bijzonder acuut omdat deze materialen ook als warmtewisselaars fungeren, het leveren van koeling aan een medium zoals water, ' zei Takeuchi.

Takeuchi ontwikkelt deze technologie al bijna tien jaar - hij ontving in 2010 de UMD Outstanding Invention of the Year voor dit onderzoek. en de DOE rangschikte elastocalorische koeling, ook wel thermo-elastische koeling genoemd, #1 als de 'meest veelbelovende' alternatieve koeltechnologie in 2014 - en het is een stap dichter bij commercialisering.

"De sleutel tot deze innovatie die fundamenteel is, maar niet vaak besproken, is dat materiaalmoeheid - ze verslijten, "zei Takeuchi. "Dit is een probleem wanneer mensen verwachten dat hun koelkasten tien jaar meegaan, of langer. Dus, we hebben het probleem in onze studie aangepakt."

Het team testte hun creatie zwaar:het materiaal onderging een miljoen cycli gedurende een periode van vier maanden en behield nog steeds zijn integriteit. "Sommige bekende elastocalorische materialen beginnen al na honderden cycli degradatie in koelgedrag te vertonen. het nieuwe materiaal dat we synthetiseerden vertoonde geen verandering na een miljoen cycli, " zei Hou, de eerste auteur van het werk. De metaaladditieve productie waarbij een laser wordt gebruikt om metalen te smelten en vervolgens in poedervorm te mengen. Door de poedertoevoer te regelen, het team was in staat om nanocomposieten te produceren die aanleiding gaven tot de robuuste mechanische integriteit in het materiaal.