Твердотельный холодильник достиг рекордных значений

Благодаря электрокалорическомх эффекту прототип охлаждает эффективнее любого обычного холодильника.

Холодильники и кондиционеры потребляют около пятой части электроэнергии, вырабатываемой во всем мире. Спрос может даже утроиться к 2050 году. Чтобы уменьшить эту жажду электричества, твердотельные системы охлаждения могут в будущем заменить используемые в настоящее время системы с схемой жидкого фторсодержащего хладагента. Ученые из Люксембурга и Японии разработали электрокалорическую систему, которая с высоким КПД в 64 процента превосходит существующие системы охлаждения с КПД в лучшем случае 50 процентов. Свой прототип они представили в отраслевом журнале «Наука».

Твердотельное охлаждение основано на использовании специальных материалов, таких как, например, танталат свинца и скандия. В поле электрического напряжения упорядоченность в этих кристаллах увеличивается, и материал нагревается. Без электрического поля он, наоборот, снова охлаждается. Этот электрокалорический эффект на структурном уровне кристаллов до сих пор полностью не изучен. Тем не менее, более сильные колебания решетки в электрическом поле могут быть причиной наблюдаемого нагрева. С другой стороны, без приложенного напряжения с более слабыми колебаниями решетки материал снова охлаждается.

Группа исследователей из Люксембургского института науки и технологий (LIST) разработала удивительно эффективный прототип, основанный на этом электрокалорическом эффекте. Они уложили несколько слоев танталата свинца-скандия друг на друга, чтобы сформировать так называемый регенератор. Используя напряжение до 400 вольт, они поочередно создавали электрическое поле напряженностью около десяти вольт на квадратный микрометр, а затем снова уменьшали его. Тепло, выделяемое в этом цикле, или, наоборот, холод рассеивались через диэлектрическую жидкость в структуре стека. Исследователи добились разницы температур до 20 градусов при максимальной мощности охлаждения 4,2 ватта.

Эта электрокалорическая система охлаждения - первая, достигшая разницы температур в 20 градусов, которую можно использовать для практического применения. Предыдущее рекордное значение, достигнутое в 2020 году, составляло всего 13 градусов. Однако и размеры, и абсолютная холодопроизводительность все еще слишком малы для использования в системе кондиционирования воздуха или холодильнике. Однако производительность таких систем может быть достаточной для охлаждения небольших объектов, таких как процессоры в компьютере.

Если в будущем удастся еще больше повысить производительность электрокалорических систем с помощью продуманной конструкции охлаждающих и нагревающих кристаллических слоев, то появится множество вариантов их применения. С одной стороны, можно будет разработать холодильники и системы кондиционирования воздуха со значительно сниженным энергопотреблением. С другой стороны, возможно создание более эффективных и абсолютно бесшумных тепловых насосов для климатически безопасного отопления зданий с использованием электроэнергии из возобновляемых источников.