Eine effizientere, energiesparendere, umweltfreundlichere und tragbare Kühlmethode ist die Richtung der unermüdlichen Forschung des Menschen.Kürzlich berichtete ein Online-Artikel in der Zeitschrift Science über eine neue flexible Kühlstrategie, die von einem gemeinsamen Forschungsteam chinesischer und amerikanischer Wissenschaftler entdeckt wurde – „Torsional Heat Refrigeration“.Das Forschungsteam fand heraus, dass durch eine Änderung der Drehung innerhalb der Fasern eine Kühlung erreicht werden kann.Aufgrund der höheren Kühleffizienz, der geringeren Größe und der Anwendbarkeit auf verschiedene gewöhnliche Materialien hat sich auch der auf dieser Technologie basierende „Twisted-Heat-Kühlschrank“ als vielversprechend erwiesen.
Dieser Erfolg ist das Ergebnis der gemeinsamen Forschung des Teams von Professor Liu Zunfeng vom State Key Laboratory of Medical Chemistry Biology, School of Pharmacy und dem Key Laboratory of Functional Polymer des Bildungsministeriums der Nankai University sowie dem Team von Ray H. Baugman , Professor der Texas State University, Dallas Branch, und Yang Shixian, Dozent der Nankai University.
Senken Sie einfach die Temperatur und drehen Sie es
Nach Angaben des International Refrigeration Research Institute macht der Stromverbrauch von Klimaanlagen und Kühlschränken weltweit derzeit etwa 20 % des weltweiten Stromverbrauchs aus.Das heute weit verbreitete Prinzip der Luftkompressionskühlung weist in der Regel einen Carnot-Wirkungsgrad von weniger als 60 % auf, und die bei herkömmlichen Kühlverfahren freigesetzten Gase verstärken die globale Erwärmung.Angesichts des steigenden Bedarfs der Menschen an Kühlung ist die Erforschung neuer Kühltheorien und -lösungen zur weiteren Verbesserung der Kühleffizienz, zur Kostensenkung und zur Reduzierung der Größe von Kühlgeräten zu einer dringenden Aufgabe geworden.
Naturkautschuk erzeugt beim Dehnen Wärme, nach dem Zusammenziehen sinkt die Temperatur jedoch.Dieses Phänomen wird als „elastische thermische Kühlung“ bezeichnet und wurde bereits im frühen 19. Jahrhundert entdeckt.Um jedoch eine gute Kühlwirkung zu erzielen, muss das Gummi auf das 6- bis 7-fache seiner eigenen Länge vorgedehnt und dann wieder zusammengezogen werden.Das bedeutet, dass die Kühlung ein großes Volumen erfordert.Darüber hinaus ist der aktuelle Carnot-Wirkungsgrad der „thermischen Kühlung“ relativ niedrig, normalerweise nur etwa 32 %.
Durch die „Torsional Cooling“-Technologie dehnten die Forscher das faserige Gummielastomer zweimal (100 % Dehnung), befestigten dann beide Enden und drehten es an einem Ende, um eine Superhelix-Struktur zu bilden.Anschließend kam es zu einer schnellen Entdrillung und die Temperatur der Gummifasern sank um 15,5 Grad Celsius.
Dieses Ergebnis ist höher als der Kühleffekt durch die „Elastic Thermal Refrigeration“-Technologie: Das um das Siebenfache gedehnte Gummi zieht sich zusammen und kühlt auf 12,2 Grad Celsius ab.Wenn das Gummi jedoch verdreht und gedehnt und dann gleichzeitig freigegeben wird, kann die „torsionsthermische Kühlung“ auf 16,4 Grad Celsius abkühlen.Liu Zunfeng sagte, dass bei gleichem Kühleffekt das Gummivolumen der „torsionsthermischen Kühlung“ nur zwei Drittel des Gummis der „elastischen thermischen Kühlung“ beträgt und sein Carnot-Wirkungsgrad 67 % erreichen kann, was dem Prinzip der Luft weit überlegen ist Kompressionskühlung.
Auch Angelschnur und Textilschnur können gekühlt werden
Forscher haben festgestellt, dass es bei Gummi als „Torsionswärme-Kühlmaterial“ noch viel Raum für Verbesserungen gibt.Gummi hat beispielsweise eine weiche Textur und erfordert viele Drehungen, um eine deutliche Kühlung zu erreichen.Die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ist langsam und es müssen Aspekte wie wiederholte Verwendung und Haltbarkeit des Materials berücksichtigt werden.Daher ist die Erforschung anderer „Torsionskühlungs“-Materialien für das Forschungsteam zu einem wichtigen Durchbruch geworden.
Interessanterweise haben wir herausgefunden, dass das Schema der „Torsionswärmekühlung“ auch auf Angel- und Textilschnüre anwendbar ist.„Früher war den Menschen nicht klar, dass diese gewöhnlichen Materialien zur Kühlung verwendet werden könnten“, sagte Liu Zunfeng.
Die Forscher verdrehten zunächst diese starren Polymerfasern und bildeten eine helikale Struktur.Durch Dehnen der Helix kann die Temperatur steigen, nach dem Zurückziehen der Helix sinkt die Temperatur jedoch.
Das Experiment ergab, dass Polyethylengeflechtdraht mithilfe der „Torsional Heat Cooling“-Technologie einen Temperaturabfall von 5,1 Grad Celsius erzeugen kann, während das Material direkt gedehnt und entspannt wird, ohne dass eine Temperaturänderung beobachtet wird.Das Prinzip der „Torsionswärmekühlung“ dieser Art von Polyethylenfasern besteht darin, dass während des Dehnungs- und Kontraktionsprozesses die innere Verdrehung der Helix abnimmt, was zu Energieänderungen führt.Liu Zunfeng sagte, dass diese relativ harten Materialien haltbarer als Gummifasern seien und die Abkühlgeschwindigkeit die von Gummi übersteige, selbst wenn sie nur sehr kurz gedehnt würden.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Anwendung der „Torsional Heat Cooling“-Technologie auf Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen mit höherer Festigkeit und schnellerer Wärmeübertragung zu einer besseren Kühlleistung führt und nur eine geringere Verdrehung erforderlich ist, um eine größere Kühlwirkung zu erzielen.
Wenn beispielsweise vier Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung miteinander verdrillt werden, kann der maximale Temperaturabfall nach dem Aufdrehen 20,8 Grad Celsius erreichen, und der gesamte durchschnittliche Temperaturabfall kann ebenfalls 18,2 Grad Celsius erreichen.Dies ist etwas höher als die 17,0 Grad Celsius Abkühlung, die mit der „thermischen Kühlung“-Technologie erreicht wird.„Ein Kühlzyklus dauert nur etwa 30 Sekunden“, sagte Liu Zunfeng.
In Kühlschränken kann künftig neue Technik zum Einsatz kommen
Basierend auf der „Torsional Heat Refrigeration“-Technologie haben Forscher ein Kühlschrankmodell entwickelt, das fließendes Wasser kühlen kann.Als Kühlmaterialien verwendeten sie drei Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung, die sich mit 0,87 Umdrehungen pro Zentimeter drehten, um eine Kühlung von 7,7 Grad Celsius zu erreichen.
Diese Entdeckung ist bis zur Kommerzialisierung von „Twisted-Heat-Kühlschränken“ noch weit entfernt und bietet sowohl Chancen als auch Herausforderungen“, sagte Ray Bowman.Liu Zunfeng glaubt, dass die in dieser Studie entdeckte neue Kühltechnologie einen neuen Sektor im Kühlbereich erweitert hat.Es bietet eine neue Möglichkeit, den Energieverbrauch im Kühlbereich zu senken.
Ein weiteres besonderes Phänomen bei der „Torsionswärmekühlung“ besteht darin, dass verschiedene Teile der Faser unterschiedliche Temperaturen aufweisen, was durch die periodische Verteilung der Helix verursacht wird, die durch die Verdrillung der Faser entlang der Faserlängsrichtung entsteht.Die Forscher beschichteten die Oberfläche eines Drahtes aus einer Nickel-Titan-Legierung mit einer Thermochromie-Beschichtung, um eine farbverändernde Faser mit „Torsionskühlung“ herzustellen.Während des Dreh- und Entdrillvorgangs erfährt die Faser reversible Farbveränderungen.Es kann als neuartiges Sensorelement zur optischen Fernmessung der Faserverdrillung eingesetzt werden.Durch die Beobachtung von Farbveränderungen mit bloßem Auge kann man beispielsweise wissen, wie viele Umdrehungen das Material in der Ferne gemacht hat, was ein sehr einfacher Sensor ist.„Liu Zunfeng sagte, dass einige Fasern basierend auf dem Prinzip der „Torsionswärmekühlung“ auch für intelligente Farbwechselstoffe verwendet werden können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. Juli 2023