Þess vegna skalt þú lesa greinina
Sérstök efni geta myndað kulda eða hita með lágmarksrafmagnsnotkun.
Ísskápar, varmadælur og loftkælingar eru dæmi um tæki sem þessi tækni getur bætt.
Taktu teygju milli fingranna og togaðu hana eins langt út og þú getur.
Ef þú gerir þetta nógu hratt mun teygjan verða heitari en hún var þegar hún lá í lófa þínum. Þegar þú hættir að teygja hana kólnar hún aftur niður í sitt upprunalega hitastig.
Teygjan er dæmi um svonefnd elastókalorísk áhrif sem vísindin vinna nú með. Nýjar gerðir efna verða fyrir mekanískri verkun – t.d. með því að vera þrýst saman eða toguð í sundur – og geta þannig breytt hitastiginu um allt að 30°C.
Á síðustu árum hefur vísindamönnum frá Kína, BNA og Spáni tekist að mynda hitastigsmun upp á 31,5° í efnablöndu sem er samsett úr nikkeli og mangani.
Takist eðlisfræðingum að auka hitastigsmuninn enn meira og leysa nokkrar tæknilegar hindranir má nýta þetta elastókaloríska efni til að smíða græna og loftslagsvæna ísskápa, varmadælur og loftræstikerfi.
Gúmmísameindir á lengdina
Hitun og kæling teygjunnar sem var lýst í dæminu hér að ofan kann að virðast undarleg en það eru til þaulkönnuð eðlisfræðilögmál úr heimi varmafræðinnar sem eru grundvöllur þessara hitastigssveiflna.
Með því að vera þrýst saman eða toguð í sundur geta efnið breytt hitastiginu um allt að 30°C.
Varmafræði er einn hluti eðlisfræðinnar sem m.a. lýsir hvernig varmi, þrýstingur og orka virka á og víxlverka hvert við annað í ýmsum efnum.
Einn frumkvöðull varmafræðinnar var franski eðlisfræðingurinn Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) sem m.a. notaði varmafræðina til að koma fram með kenningu um þann mótor sem væri fræðilegast skilvirkastur. Á þeim tíma voru uppgötvanir Carnots notaðar til að bæta afkastagetu gufuvéla.
Í vél er orku í formi varma breytt í mekaníska orku í stimpli sem nýtir öxla til að snúa hjólum og fær lestina til að keyra af stað.
Ef við snúum aftur til dæmisins um teygjuna sem var toguð út gerist hið gagnstæða. Þá er það mekanísk hreyfing gúmmísins sem myndar varma.
Skýringuna á þessu er að finna í fyrirbærinu óreiðu sem segir til um hversu mikil óreiða ríkir í sameindum efnis.
Annað lögmál varmafræðinnar segir nefnilega að óreiðan í t.d. vatnsglasi verður ævinlega náttúrulega stöðug eða eykst. Kerfi fær þannig m.ö.o. meiri óreiðu en var í upphafi ef ástand þess breytist – eins og ís sem bráðnar.
Þrýstingur og hiti breytir formi
Óreiða er hugtak úr varmafræðinni og vísar til ástands efna. Þrýstingur, hitastig og rúmtak skipta þar sköpum fyrir ástandið.
Bráðnandi ís eykur óreiðuna
Ís sem bráðnar í glasi eða sykur sem leysist upp í bolla af kaffi eru dæmi um óreiðu. Glasið með ísnum mun losa kulda (óreiðan eykst) þar til glasið nær stofuhita þegar ísinn er bráðinn.
Sameindir lenda í óreiðu
Ísinn og sykurinn halda frá skipan til óreiðu og frá sameindum í skipulegum strúktúr til rofinna óreiðukenndra forma. Ferlið er einnig þekkt sem annað lögmál varmafræðinnar.
Ef við hugum aftur að teygjudæminu mun óreiðan minnka og teygjan kólna þegar hún er teygð út. En það þýðir jafnframt að óreiðan eykst með samsvarandi hætti annars staðar í kerfinu til að varðveita samanlagt stig óreiðunnar. Annar hluti teygjunnar verður m.ö.o. heitari.
Málmar breyta kristalsformi
En hvað hefur þetta dæmi með ísskápa framtíðar að gera? Eðlisfræðingar nota vissulega ekki teygjur á rannsóknarstofunni þegar þeir vinna að því að þróa skilvirk og áreiðanleg elastókalórísk efni. Hér eru það þess í stað svonefnd Shape Memory Alloys sem vísa veginn.
Þetta eru blöndur af mismunandi málmum, t.d. nikkeli, mangani og títaníum en þegar þessar málmblöndur verða fyrir miklu afli í formi vélræns þrýstings eða togs geta þau breytt hitastigi vegna elastókalorísku áhrifanna.
Danmarks Tekniske Universitet (DTU) hefur þróað varmadælu þar sem elastókalorísk efni losa varma til skiptis (rörið neðst til hægri) og kulda (rörið efst til hægri).
Nafnið „shape memory alloys“ er tilkomið af því að málmblöndurnar geta „munað“ upprunalegt ástand sameinda sinna þegar þrýstingurinn eða togið hverfur.
Í reynd breyta málmarnir formi kristalla þegar þeir verða t.d. fyrir þrýstingi. Þetta kalla eðlisfræðingar að þeir haldi frá austentískri formgerð þar sem sameindirnar eru í teningslaga formi yfir í martensíska formgerð þar sem formið er eins og sívalningur eða demantur.
Breytingin frá einu ástandi yfir til annars veldur því að málmblöndurnar hitna en gaskenndur vökvi sem er í hringrás í kerfinu, tekur við varmanum og flytur hann áfram.
Næsta skref er að fjarlægja þrýstinginn úr málmblöndunum sem kólna þá niður á ný – en eru nú orðnar kaldari í samanburði við upprunalegt ástand þeirra og þetta ferli má t.d. nýta til að kæla matvörur okkar.
Tæknin gæti bætt ísskápa
Í venjulegum ísskápum dælir pressa gróðurhúsagasi um í hringrás. Á leiðinni breytist það úr vökvaformi yfir í gasform og það ferli skapar kulda.
Í ísskápum nútímans er búið að bæta þetta ferli verulega en samt er ennþá langur vegur í að ná hámarks fræðilegri skilvirkni. Núna skilar ferlið um fimmtungi af því sem er að hámarki mögulegt í ísskápum.
Efni pressa kulda í ísskápnum
Þegar elastókalorísku efni er þrýst saman og losað á ný skapar það kælihringrás sem getur komið í stað þess búnaðar sem nú er í ísskápum.
1. Þrýstingur hitar efni
Stimpill þrýstist að elastókalorískum málmi utan frá. Þrýstingurinn myndar óreiðu í strúktúr efnisins og fær það til að breyta formi sínu sem skapar varma í hólfinu. Varminn fær gaskenndan vökva sem umlykur efnið til að þenjast út.
2. Vökvinn sendur áfram
Einstreymisloki opnast til hægri í þrýstihólfinu þannig að vökvinn nær að fljóta áfram. Lokinn sér um að vökvinn fljóti einungis í eina átt. Þar með flýtur útþaninn vökvinn áfram í kerfinu til þess að jafna út þrýstinginn.
3. Efnið kælir á ný
Stimpillinn togast nú aftur út og hólfið kólnar niður. Þrýstingurinn minnkar og þannig kólnar elastókaloríska efnið í hólfinu einnig. Hólfið helst áfram kalt því sameindirnar ná aftur fyrri formgerð og óreiðan minnkar.
4. Kuldi skýst út
Þrýstingurinn fellur á lægra stig en í fyrra hólfi. Nú opnast einstreymislokinn til vinstri í kerfinu og kaldur vökvinn nær nú að kæla hólfið á ný en síðan heldur ferlið aftur frá byrjun.
Með elastókalorískum efnum vonast sérfræðingar til að geta bætt skilvirkni kælingarinnar í ísskápum um 10 – 20% miðað við bestu ísskápa sem fyrirfinnast nú á markaði.
Þetta getur skipt verulegu máli fyrir rafmagnsnotkun í heiminum þar sem ísskápar, loftkælikerfi og varmadælur taka til sín allt að 25 – 30% af samanlagðri rafmagnsnotkun manna.
Í Evrópu eru um 70% af öllum matvörum núna kæld eða fryst og annars staðar í heiminum þar sem ísskápar og frystikistur eru mun eldri getur bætingin orðið ennþá meiri.
Annar kostur við þessi elastókalorísku efni er sá að það þarf ekki gróðurhúsagastegundir í kælihringrásinni og auk þess munu elastókalorískir ísskápar vera nær hljóðlausir og eru alveg lausir við titring.
En vísindamenn þurfa engu að síður að leysa nokkrar tæknilegar hindranir áður en við getum pantað okkur elastókalorískan ísskáp á netinu.
Hitastigsmunur yfir 35 gráður
Í fyrri frumgerðum frá t.d. danska fyrirtækinu DDU gátu efnin einungis þolað 6.000 – 7.000 hringi í hringrásinni, þar sem efnið verður fyrir miklum þrýstingi.
Síðan er búið að bæta málmblönduna þannig að hún þoli um 100.000 hringrásir.
Elastókalorískir ísskápar munu verða nær hljóðlausir og alveg lausir við titring líkt og ískápar í dag.
Út frá þessu ætla vísindamenn að það verði engum vanda bundið að ná allt að einni milljón eða jafnvel tíu milljónum hringrása og það eru þau gildi sem efnin þurfa að geta þolað til þess að vera nýtanleg í raunheimi.
Önnur áskorun er hitastigsmunurinn – af vísindamönnum kallaður delta T – þar sem metið liggur nú við 31,5 gráður.
Hitastigsmunurinn þarf helst að fara yfir 35 gráður til að hægt sé að nýta búnaðinn í ísskápa.
Aðrir vísindamenn vinna einnig með aðrar mögulegar lausnir eins og svonefnd barókalorísk efni þar sem það er ekki mekanískur þrýstingur heldur breytingar í loftþrýstingi sem skapa hitastigsmun.
Teymi vísindamanna frá Spáni, Frakklandi og Stóra-Bretlandi hefur þegar náð að breyta óreiðunni í efni í slíkum mæli að bera má það saman við skilvirkni núverandi ísskápa.
Þannig vonast menn til að ísskápar framtíðar verði ekki með skaðlegar gróðurhúsalofttegundir heldur með samanpressaðar og sundurtogaðar málmblöndur sem gera kælingu matvaranna mun umhverfisvænni.
