Het gebruik van solid-state koelkasten om apparaten en elektronische apparaten te koelen is een mogelijke technologische toepassing voor een theoretische studie uitgevoerd aan de Universiteit van Campinas (UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië.

Hoewel deze toepassing niet in het onderzoek wordt meegenomen, die was gebaseerd op computersimulaties, dergelijke toepassingen liggen in het verschiet en zouden een efficiënt en milieuvriendelijk alternatief kunnen zijn voor dampcompressiekoelkasten, die momenteel de markt domineren en bijdragen aan de aantasting van de ozonlaag en de opwarming van de aarde.

De studie, onder leiding van Alexandre Fonseca met deelname van zijn voormalige leerling Tiago Cantuário, maakte deel uit van het project "Carbon nanostructures:modelling and simulations, " ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP. De resultaten zijn gepubliceerd in een artikel in het tijdschrift Annalen der Physik .

“Solid-state cooling is een jong onderzoeksgebied met veelbelovende resultaten. De methode die we hebben onderzocht is gebaseerd op het zogenaamde elastocalorische effect (ECE), die gebruik maakt van temperatuurvariaties in een systeem als reactie op mechanische belasting. We hebben computersimulaties van dit effect uitgevoerd in koolstofnanobuisjes, ' zei Fonseca.

In de macroscopische wereld een analoog effect wordt waargenomen wanneer een rubberen band opwarmt terwijl het snel wordt uitgerekt en weer afkoelt wanneer het wordt losgelaten. Het effect treedt op als de vervorming op het materiaal wordt aangebracht zodat er geen warmteoverdracht in of uit het systeem is, d.w.z., wanneer het proces adiabatisch is.

"We begonnen ons onderzoek op basis van een artikel getiteld 'Elastocaloric effect in carbon nanotubes and grafeen', gepubliceerd in 2016 door Sergey Lisenkov en medewerkers. Het beschreef een computersimulatiestudie die aantoonde dat wanneer een kleine vervorming werd toegepast op koolstofnanobuisjes, overeenkomend met maximaal 3% van hun oorspronkelijke lengte, ze reageerden met een temperatuurvariatie tot 30 °C, ' zei Fonseca.

"In tegenstelling tot het onderzoek van Lisenkov, die alleen eenvoudige spanning en samendrukkende kracht simuleerde die op de nanobuisjes werd uitgeoefend, we hebben het proces computationeel gereproduceerd voor een volledige thermodynamische cyclus. In onze simulatie we hebben twee fasen overwogen - spanning en afgifte van nanobuisjes - en twee warmte-uitwisselingen met twee externe reservoirs. We schatten de warmte die het nanobuisje zou onttrekken als het in ideaal contact zou zijn met een bepaald medium. We hebben een goed resultaat behaald voor de prestatiecoëfficiënt in vergelijking met die van andere experimenteel geteste materialen."

De prestatiecoëfficiënt wordt gedefinieerd als de warmte die door een systeem wordt onttrokken aan een bepaalde regio, gedeeld door de energie die daarvoor wordt verbruikt. In het geval van een huishoudelijke koelkast, bijvoorbeeld, het toont de hoeveelheid warmte die door het toestel wordt onttrokken aan de interne omgeving in verhouding tot het verbruikte elektriciteit. De beste huishoudelijke koelkasten hebben prestatiecoëfficiënten in de orde van 8, wat betekent dat ze acht keer meer thermische energie van binnen naar buiten transporteren dan de hoeveelheid elektriciteit die aan het elektriciteitsnet wordt onttrokken om de uitwisseling uit te voeren.

"Het simuleren van het proces voor twee verschillende nanobuisjes, we verkregen prestatiecoëfficiënten van 4,1 en 6,5. Dit zijn relatief goede cijfers vergeleken met die voor andere warmtewisselingsverschijnselen, ' legde Fonseca uit.

Een ander voordeel heeft betrekking op de atomaire en moleculaire structuur. "Bij bepaalde materialen de toepassing van treksterkte zorgt ervoor dat het monster van fase verandert door de kristalstructuur te wijzigen. In het geval van nanobuisjes, het thermische effect is uitsluitend te wijten aan uitzetting en ontspanning van de structuur, die niet is gewijzigd. Dit is een voordeel omdat faseveranderingen ervoor zorgen dat het materiaal geleidelijk zijn vermogen verliest om de gewenste functie uit te voeren. In het geval van nanobuisjes, echter, het proces produceert geen structurele transformaties die defecten kunnen veroorzaken. De atomen worden tijdens expansie gescheiden en keren met ontspanning terug naar hun oorspronkelijke positie, " hij zei.

nanoschaal

Volgens Fonseca, breuktests hebben aangetoond dat koolstofnanobuisjes in staat zijn tot wel 20% uit te rekken. Deze weerstand tegen vervorming in combinatie met hoge prestaties in elastocalorische effecten maakt koolstofnanobuisjes interessante materialen voor de ontwikkeling van elektronica op nanoschaal.

"Het kernprobleem in elektronica is koeling. Onze motivatie was om ons een apparaat voor te stellen dat een eenvoudige cyclus zou kunnen gebruiken om warmte uit een apparaat te halen. Koolstofnanobuisjes bleken veelbelovend, "zei hij. "Ze hebben ook een andere deugd, dat is dat ze klein genoeg zijn om te worden ingebed in een polymeermatrix, een wenselijke eigenschap in een tijd waarin fabrikanten investeren in onderzoek en ontwikkeling om flexibele elektronische apparaten zoals opvouwbare smartphones te verkrijgen." Dit alles maakt deel uit van een groter geheel waarin dampcompressiekoelkasten worden vervangen door solid-state koelkasten in het kader van wereldwijde klimaatverandering.