Een vaste stof kan dienen als medium voor interacties tussen warmte en geluidsgolven, net zoals een vloeistof dat doet voor thermo-akoestische motoren en koelkasten - wat resulteert in lekvrije machines die langer kunnen blijven werken.

Lekkende systemen hebben de manier waarop ingenieurs thermo-akoestische apparaten ontwerpen die afhankelijk zijn van het samenspel tussen temperatuurschommelingen en geluidsgolven, beperkt. Onderzoekers van Purdue en de Universiteit van Notre Dame hebben voor het eerst aangetoond dat thermo-akoestiek theoretisch zowel in vaste stoffen als vloeistoffen kan voorkomen, onlangs hun bevindingen presenteerden op de 175e bijeenkomst van de Acoustical Society of America.

"Hoewel het nog in de kinderschoenen staat, deze technologie kan bijzonder effectief zijn in ruwe omgevingen, zoals de ruimte, waar sterke temperatuurschommelingen vrij beschikbaar zijn en wanneer systeemstoringen de algehele missie in gevaar zouden brengen, " zei Fabio Semperlotti, Purdue universitair docent werktuigbouwkunde.

Thermo-akoestiek is al eeuwenlang een gevestigd en goed bestudeerd fenomeen in vloeistoffen, als gas of als vloeistof. "Het toepassen van warmte op een vloeistof die is ingesloten in een kanaal of holte zal de spontane generatie van geluidsgolven veroorzaken die zich in de vloeistof zelf voortplanten, " zei Carlo Scalo, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Purdue. "Hierdoor ontstaan ​​zogenaamde zingende pijpen, of thermo-akoestiekmachines."

Hoewel vloeistoffen in het verleden voor deze systemen zijn gebruikt, de extra stap om iets te bouwen om de vloeistoffen te bevatten en lekken te voorkomen, is omslachtig. Dit bracht de onderzoekers ertoe om vaste stoffen als vervanging te beschouwen.

"Eigenschappen van vaste stoffen zijn beter controleerbaar, waardoor ze mogelijk beter geschikt zijn voor deze toepassingen dan vloeistoffen. We moesten eerst verifiëren dat dit fenomeen theoretisch zou kunnen bestaan ​​in vaste media, " zei Haïtiaanse Hao, Purdu afgestudeerd onderzoeksassistent in de werktuigbouwkunde.

Thermo-akoestiek maakt het mogelijk om ofwel afvalwarmte ofwel mechanische trillingen om te zetten in andere nuttige vormen van energie. Voor koelkasten, geluidsgolven genereren een temperatuurgradiënt van warm en koud. De trillende beweging maakt koude gebieden kouder en warme gebieden heter.

Motoren gebruiken een tegengesteld proces:een temperatuurgradiënt door restwarmte leidt tot mechanische trillingen.

Solid state thermo-akoestiek leek aanvankelijk onwaarschijnlijk, aangezien vaste stoffen iets "stabieler" zijn dan vloeistoffen en de neiging hebben mechanische energie gemakkelijker af te voeren, waardoor het voor warmte moeilijker wordt om geluidsgolven te genereren.

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model dat aantoont dat een dunne metalen staaf zelfvoorzienende mechanische trillingen kan vertonen als periodiek een temperatuurgradiënt wordt toegepast op segmenten van de staaf. Dit bracht ongewenste mechanische energiedissipatie in evenwicht en toonde aan dat, zoals vloeistoffen, vaste stoffen krimpen als ze afkoelen en zetten uit als ze opwarmen. Als de vaste stof minder samentrekt bij afkoeling en meer uitzet bij verwarming, de resulterende beweging zal in de loop van de tijd toenemen.

Vaste stoffen kunnen ook worden ontworpen om de benodigde eigenschappen te bereiken voor het bereiken van hoge thermo-akoestiekprestaties. "Vloeistoffen laten ons dit niet toe, ' zei Semperlotti.

Extreme temperatuurverschillen in de ruimte zouden perfect zijn voor het genereren van mechanische trillingen die vervolgens worden omgezet in elektrische energie op ruimtevaartuigen.

"Een solid-state apparaat zou de zon gebruiken als warmtebron en straling naar de verre ruimte als koude bron, "Zei Semperlotti. "Deze systemen kunnen voor onbepaalde tijd blijven werken, gezien het feit dat ze geen enkel bewegend onderdeel of vloeistof hebben die eruit zou kunnen lekken."

Onderzoekers moeten nog een experimentele opstelling voltooien om dit ontwerpidee te valideren en de thermo-akoestiek van vaste stoffen beter te begrijpen, zoals ontdekt door wiskundige berekeningen en modellering.

"Mogelijke toepassingen en prestaties van deze apparaten zijn op dit moment nog steeds in het rijk van pure speculatie, "Zei Semperlotti. "Maar het fenomeen bestaat en het heeft het potentieel om enkele opmerkelijke richtingen te openen voor het ontwerp van thermo-akoestische apparaten."