Koeling is al zo lang zo'n integraal onderdeel van ons dagelijks leven dat we er zelden aan denken. Ons eten is vers en onze kantoren en woonkamers zijn temperatuurgecontroleerd dankzij dampcompressietechnologie die meer dan een eeuw geleden is ontwikkeld, dat een integraal onderdeel is geworden van de medische zorg, vervoer, militaire verdediging, en meer.

Volgens de Amerikaanse Energy Information Administration, bijna een kwart van het totale elektriciteitsverbruik in de VS gaat in een of andere vorm naar koeling. wereldwijd, het Milieuprogramma van de Verenigde Naties schat dat het aantal in gebruik zijnde koelapparaten tegen het jaar 2050 meer dan verdubbeld zal zijn. condenserend, uitbreiden, en het verdampen van een koelvloeistof. Afhankelijk van de configuratie en de bedrijfsmodus, dampcompressiesystemen kunnen ruimtekoeling en/of ruimteverwarming leveren om een ​​comfortabele omgeving in gebouwen te behouden. En hoewel dampcompressie een zeer volwassen en relatief goedkoop te vervaardigen technologie is, het heeft bijna zijn theoretische limiet van potentiële energie-efficiëntie bereikt. We hebben nieuwe systemen nodig die de energie-efficiëntie voor koeling verbeteren.

Om die redenen, een groep wetenschappers en ingenieurs van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy zijn geïnspireerd door het idee dat koeling radicaal kan worden verbeterd - goedkoper gemaakt, schoner, en energiezuiniger - door dampcompressie op te geven voor iets geheel nieuws:een solid-state calorisch systeem. Solid-state calorische systemen vertrouwen op de omkeerbare thermische verschijnselen om koeling en verwarming te leveren wanneer een magnetische, elektrisch, of spanningsveld varieert, bijv. magnetocalorisch, elektrocalorisch, respectievelijk elastocalorisch. Het idee dat calorische systemen kunnen worden gebruikt als vervanging voor traditionele koeltechnologie is eigenlijk niets nieuws. De laatste 20 jaar, materiaalwetenschappers hebben gezocht naar verbindingen die sterke verkoelende effecten kunnen genereren wanneer er cyclisch op wordt gereageerd. Verdere efficiëntiewinsten kunnen ook worden gerealiseerd door verschillende van deze calorische verschijnselen met elkaar te combineren, iets dat niet wordt geboden door dampcompressie.

"Het is alsof je de gloeilamp vervangt door een LED-lamp. Deze nieuwe technologie zou een vergelijkbare impact kunnen hebben, maar met het potentieel om op een heel andere en nog efficiëntere en duurzamere manier te bereiken, " zei projectleider Vitalij Pecharsky, Ames Lab-wetenschapper en Iowa State University Anson Marston Distinguished Professor of Materials Science and Engineering. "We zijn te laat voor dezelfde soort verandering in de koel- en warmtepompindustrie." En hoewel er veel veelbelovende materialen en systemen bestaan, zelfs tot het punt dat gestroomlijnde prototypen van apparaten de afgelopen jaren zijn uitgerold op vakbeurzen, kosten blijven een grote barrière voor brede acceptatie door fabrikanten en consumenten.

Ames Laboratory doet al heel lang onderzoek naar calorische materialen, die teruggaat tot hun baanbrekende ontdekking van het gigantische magnetocalorische effect in 1997, en het huidige onderzoek heeft hen vijf patenten opgeleverd, alleen al op het gebied van materiaalontdekking.

Nu richten ze hun aandacht op de ontwikkeling van materialen en systemen.

De onderzoeksinspanning heeft tot doel de kosten van calorische systemen te verlagen door de vermogensdichtheid van magnetocalorische en elastocalorische systemen te vergroten. In magnetocalorische systemen, het kunnen produceren van verhoogde koeleffecten in een kleiner magnetisch veld is de sleutel tot het beheersen van de kosten. In elastocalorische systemen, het spanningsveld reduceren tot kleinere waarden, verlaagt zowel de grootte als de kosten van de actuator(s), en verlengt de levensduur van het actieve materiaal. In aanvulling, zei Pecharsky, Het beheersen van systeemenergieverliezen door slimme engineering zal van vitaal belang zijn.

"We weten dat het haalbaar is. Het is al vele malen aangetoond. Maar we weten dat het echte obstakel dat de sprong naar verhandelbare technologie verhindert, betaalbaarheid is, en dat is wat we aanpakken in onze huidige inspanning, ’ zei Pecharski.