Elastokaloriske materialer

Tryk og træk skal køle dine madvarer

Særlige materialer bliver koldere eller varmere, i takt med at de bliver strakt eller presset sammen. Nu vil forskere udnytte materialerne til at skabe fremtidens klimavenlige køleskabe og aircondition.

Særlige materialer bliver koldere eller varmere, i takt med at de bliver strakt eller presset sammen. Nu vil forskere udnytte materialerne til at skabe fremtidens klimavenlige køleskabe og aircondition.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Tag en elastik mellem fingrene, og stræk den ud, så langt du kan.

Hvis du gør det hurtigt nok, vil elastikken blive varmere, end den var, da den lå sammenfoldet i din håndflade. Slipper du elastikken, vil den igen blive afkølet til sin oprindelige temperatur.

Elastikken er et eksempel på den elastokaloriske effekt, som forskere arbejder på at udnytte. Nye typer materialer bliver udsat for mekaniske påvirkninger – fx ved at blive presset sammen eller trukket i – og kan på den måde ændre temperatur med op til over 30 grader celsius.

Inden for de senere par år er det lykkedes forskere fra Kina, USA og Spanien at skabe en temperaturforskel på 31,5 grader i et materiale baseret på nikkel og mangan.

Hvis det lykkes fysikerne at øge temperaturforskellen endnu mere og løse en række tekniske udfordringer, kan de elastokaloriske materialer bruges til at bygge fremtidens grønne og energivenlige køleskabe, varmepumper og airconditionanlæg.

Gummimolekyler ordnes på langs

Opvarmningen og afkølingen af elastikken som beskrevet i eksemplet kan virke besynderlig, men der gemmer sig velbeskrevne fysiske principper fra termodynamikkens verden bag temperaturudsvingene.

Ved at blive presset sammen eller trukket i ændrer materialet temperatur med op til over 30 grader celsius.

Termodynamikken er et område af fysikken, der bl.a. beskriver, hvordan varme, tryk og energi påvirker og vekselvirker med hinanden i materialer.

En af termodynamikkens pionerer var den franske fysiker Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), der bl.a. brugte termodynamikken til at fremsætte en teori om den teoretisk mest effektive motor. På den tid blev Carnots opdagelser brugt til at forbedre dampmotorens ydeevne.

I en motor bliver energi i form af varme omdannet til mekanisk energi i et stempel, som via aksler får hjulene til at dreje rundt og toget til at køre.

Hvis vi vender tilbage til elastikken, som bliver trukket i, sker det omvendte. Her er det den mekaniske bevægelse af gummiet, som danner varme.

Forklaringen skal findes i fænomenet entropi, som er et udtryk for molekylernes grad af uorden i et materiale.

Termodynamikkens 2. lov siger nemlig, at graden af entropi i fx et glas vand altid naturligt vil være konstant eller øges. Et system bliver med andre ord mere uordnet, end det var i forvejen, hvis det ændrer tilstand – som is, der smelter.

Entropieksempler
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Tryk og temperatur ændrer formen

Entropi er et begreb fra termodynamikken og hentyder til et materiales tilstand. Tryk, temperatur og volumen er altsammen med til at afgøre tilstanden.

Smeltende is øger entropien

Is, der smelter i et glas vand, eller sukker, der bliver opløst i en kop kaffe, er eksempler på entropi. Glasset med is vil frigive kulde (entropien vokser), indtil glasset når stuetemperatur, hvor isen er smeltet.

Molekyler kommer i uorden

Isen og sukkeret bevæger sig fra orden til uorden, fra molekyler i en ordnet struktur til opbrudte, kaotiske strukturer. Processen er også kendt som termodynamikkens anden hovedsætning.

Hvis vi vender tilbage til elastikken, vil entropien aftage og elastikken køle, når elastikken bliver strakt ud, men det betyder samtidig, at entropien tilsvarende øges et andet sted i systemet for at bevare det samlede niveau af entropi. En anden del af elastikken bliver med andre ord varmere.

Metaller ændrer krystalstruktur

Men hvad har det eksempel så med fremtidens køleskabe at gøre? Fysikerne bruger naturligvis ikke elastikker i laboratoriet, når de arbejder på at udvikle effektive og holdbare elastokaloriske materialer. Her er det i stedet de såkaldte shape memory alloys, der viser vejen.

Det er legeringer af forskellige metaller, fx nikkel, mangan og titanium, der ved at blive udsat for en kraft i form af et mekanisk tryk eller et træk kan ændre temperatur pga. den elastokaloriske effekt.

Varmepumpe på DTU

Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet en varmepumpe, hvor et elastokalorisk materiale skiftevis afgiver varme (røret nederst til højre) og kulde (røret øverst til højre).

© Kurt Engelbrecht, DTU

Navnet “shape memory alloys” kommer af, at legeringerne kan “huske” tilbage til deres oprindelige molekylære tilstand, når trykket eller trækket atter fjernes.

I praksis ændrer metallerne krystalstruktur, når de udsættes for eksempelvis et tryk. Det kalder fysikerne at gå fra en austenitisk struktur, hvor molekylerne befinder sig i et kubisk gitter, til en martensitisk struktur, der er formet som en rombe eller en diamant.

I løbet af overgangen mellem de to tilstande bliver legeringerne varmet op, hvorefter en væske, der cirkuleres forbi, optager og bringer varmen videre i systemet.

Næste skridt er at fjerne trykket fra legeringen, som derefter køler ned igen – men nu er blevet endnu koldere sammenlignet med det oprindelige udgangspunkt, og den proces kan fx bruges til at køle vores fødevarer.

Teknologi kan forbedre køleskabe

I et almindeligt køleskab pumper en kompressor drivhusgas rundt i et kredsløb. Undervejs skifter den fra væske- til gasform, og den proces skaber kulde.

I moderne køleskabe er den proces blevet kraftigt forbedret, men der er stadig lang vej til den teoretisk maksimale ydelse. I dag leverer processen omtrent 20 pct. af det maksimalt mulige i køleskabe.

Køleskabsteknologi
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Materialer presser kulde i køleskabet

Når et elastokalorisk materiale trykkes sammen og frigives igen, skaber det en kølecyklus, som kan erstatte den i moderne køleskabe.

Stempel trykkes ned
© Ken Ikeda Madsen

1. Tryk varmer materiale

Et stempel presser mod et elastokalorisk metal udefra. Trykket giver uorden i materialets struktur og får det til at ændre form, hvilket skaber varme i kammeret. Varmen får en gasformig væske, som omslutter materialet, til at udvide sig.

Damp sendes rundt
© Ken Ikeda Madsen

2. Væsken sendes videre

En envejsventil åbner til højre i trykkammeret, så den gasformige væske får lov at flyde videre. Væsken kan pga. ventilen kun flyde i én retning. Dermed flyder den udvidede væske videre i systemet for at udjævne trykket.

Materiale køler igen
© Ken Ikeda Madsen

3. Materiale køler igen

Stemplet bliver nu trukket ud igen, og rummet køler ned. Trykket bliver sænket, og dermed køler det elastokaloriske materiale i kammeret også. Kammeret bliver koldt, fordi molekylerne igen får en ordnet struktur, og den såkaldte entropi falder.

Trykket falder
© Ken Ikeda Madsen

4. Kulde skyder ud

Trykket falder til et lavere niveau end i det foregående kammer. Herefter åbner envejsventilen til venstre i systemet, og den gasformige, kolde væske får lov at køle naborummet igen, inden processen begynder forfra.

Med elastokaloriske materialer håber forskerne, at de kan forbedre effektiviteten af kølingen i et køleskab med 10-20 pct. i forhold til de allerbedste køleskabe på markedet i dag.

Det kan få stor betydning for elforbruget i verden, hvor køleskabe, aircondition og varmepumper udgør 25-30 pct. af det samlede elforbrug.

I Europa bliver omkring 70 pct. af alle madvarer i dag holdt på køl eller frost, og andre steder i verden, hvor køleskabe og frysere er af ældre dato, kan forbedringen blive endnu større.

En anden fordel ved de elastokaloriske materialer er, at de ikke kræver drivhusgasser i kølecyklussen, og derudover vil elastokaloriske køleskabe kunne fungere uden samme støj og vibrationer som fra almindelige køleskabe.

Men forskerne skal stadig løse flere udfordringer, før vi kan bestille et elastokalorisk køleskab på nettet.

Temperatur skal over 35 grader

I tidlige prototyper fra fx danske DTU kunne materialet blot klare 6000-7000 cyklusser, hvor materialet blev udsat for tryk.

Siden er materialet blevet forbedret til omkring 100.000 cyklusser.

Elastokaloriske køleskabe vil kunne fungere uden samme støj og vibrationer som fra almindelige køleskabe.

Derfra melder forskerne, at det nu ikke er noget teknisk problem at nå op til 1 mio. eller endda 10 mio. cyklusser, og det er den størrelsesorden, materialerne skal kunne klare for at være brugbare i den virkelige verden.

En anden udfordring er temperaturforskellen – af forskerne kaldt delta T – hvor rekorden lige nu hedder 31,5 grader celsius.

Temperaturforskellen skal gerne over 35 grader for at kunne bruges i et køleskab.

Andre forskere arbejder med en alternativ løsning kaldet barokaloriske materialer, hvor det ikke er et mekanisk tryk, men ændringer i lufttryk, som skaber temperaturforskellen.

Et hold forskere fra Spanien, Frankrig og Storbritannien har allerede formået at ændre entropien i materialet i en grad, som kan sammenlignes med den fra moderne køleskabe.

Dermed er der håb for, at fremtidens køleskabe både kan bytte miljøbelastende drivhusgasser ud med sammenpressede metallegeringer og gøre nedkøling af fødevarer mere klimavenlig.