ایجاد یک آلیاژ الاستیک با قابلیت انبساط 20 برابری نسبت به فلزات در شرایط دمایی مختلف

یک آلیاژ طراحی‌شده که به راحتی با کشش، گرم و سرد می‌شود، ممکن است کارآمدترین نوع پمپ حرارتی حالت جامد را به ارمغان آورد و پیشرفتی باشد که می‌تواند انقلاب عظیمی در روش‌های گرمایش بدون اتکای به سوخت‌های فسیلی به وجود آورد.

به نقل از آی‌ای، این آلیاژ جدید به نام «Ti₇₈Nb22» توسط پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ (HKUST) توسعه یافته است و قابلیت‌هایی بی‌نظیر را نشان می‌دهد.

این فلز هنگام کشش یا فشرده‌سازی، تغییر دمای برگشت‌پذیری را نشان می‌دهد که 20 برابر بیش از فلزات رایج است و این ویژگی آن را به رقیبی قدرتمند برای فناوری‌های سنتی گرمایش و سرمایش با بخار تبدیل می‌سازد.

دکتر لی شیائو(LI Qiao)، نویسنده اصلی این تحقیق و استادیار پژوهشی در دانشگاه هنگ کنگ، در یک بیانیه مطبوعاتی اظهار کرد: با توجه به تشدید تلاش‌ها در راستای کاهش کربن، این فناوری رویکردی انقلابی برای جایگزینی سیستم‌های گرمایی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی ارائه می‌دهد. ما در حال حاضر مشغول توسعه نمونه‌های اولیه برای پمپ‌های حرارتی با این آلیاژ به منظور استفاده در صنایع هستیم.

استفاده از خاصیت کشسانی در گرمایش سبز

از سیستم‌های گرمایی در ساختمان‌ها تا فرآیندهای صنعتی با دماهای بالا، تقریباً نیمی از کل انرژی مصرفی در جهان نیازمند انرژی حرارتی است.

این تقاضا همچنان عمدتاً از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود که باعث انتشار قابل توجهی از گازهای گلخانه‌ای می‌گردد.

پمپ‌های حرارتی جامد مبتنی بر انتقال فاز جایگزین‌های پاک‌تری محسوب می‌شوند، اما توانایی آنها به طور معمول بین 50 تا 70 درصد محدود است.

بهبود عملکرد و پایداری فناوری‌های پمپاژ حرارتی همچنان یکی از چالش‌های مهم جهانی به شمار می‌آید.

به منظور رفع این مشکل، پروفسور سان کینگ پینگ(SUN Qingping) و تیم وی از دپارتمان مهندسی مکانیک و هوافضا(MAE) یک روش جدید برای پمپاژ حرارتی معرفی کرده‌اند که گرما را از طریق تغییر شکل الاستیک در یک پدیده به نام «اثر ترموالاستیک»(TeE) جمع‌آوری می‌کند.

عبور از مرزهای قدیمی

اگرچه اثر ترموالاستیک (TeE) نخستین‌بار توسط دانشمندان قرن 19، از جمله کلوین، ژول و دوهامل کشف شد، اما به دلیل کاربرد عملی اندک، مدتی است کنار گذاشته شده است.

تیم پروفسور سان این پیش فرض را با طراحی یک پلی‌کریستال مارتنزیتی Ti7Nb22 به چالش کشیده که تحت فشار تغییر شکل الاستیک خطی، تغییر دمای برگشت‌پذیری را نشان می‌دهد که حدود 20 برابر بیشتر از دماهای قابل تغییر در فلزات معمولی است.

جالب است که این آلیاژ در طول دوره پمپاژ حرارتی به بازدهی نزدیک به 90 درصد دست می‌یابد که با کارایی مبردهای تجاری متراکم‌کننده بخار مطابقت دارد.

پروفسور سان اظهار داشت: این کشف، تصورات ناکافی را که بر اثر ترموالاستیک سایه افکنده بود، تغییر می‌دهد و تحقیقات ما نشان می‌دهد که تغییر شکل الاستیک خطی به تنهایی می‌تواند برای ایجاد پمپ‌های حرارتی بسیار کارآمد مورد استفاده قرار گیرد.

محققان همچنین پیشنهاد کرده‌اند که با توسعه آلیاژهای فِروالاستیک با توان حرارتی بالاتر، امکان افزایش بیشتر عملکرد وجود دارد که می‌تواند تغییر دما تا 22 کلوین را به همراه داشته باشد.

این پیشرفت نشان‌دهنده اولین رویکرد مبتنی بر انتقال فاز به منظور تأمین گرما با کارایی بالا و سازگار با محیط زیست است که به نوآوری‌های جدید در فناوری‌های مدیریت حرارتی پایدار دامن می‌زند.

این مطالعه در مجله Nature Communications به چاپ رسیده است.