Forskare vid University of Maryland (UMD) har utvecklat ett nytt elastiskt kylande material, består av en nickel (Ni)-titanium (Ti) legering och skulpterad med hjälp av additiv teknologi, som är mycket effektivt, miljövänlig och lätt att skala upp för kommersiellt bruk. Studien publicerades i tidskriften Vetenskap den 29 november.

Kylteknik, används i kyl- och VVS-system runt om i världen, är en mångmiljardaffär. Ångkompressionskylning, som har dominerat marknaden i över 150 år, har inte bara platågat när det gäller effektivitet, men använder också kemiska köldmedier med hög global uppvärmningspotential (GWP). Elastokalorisk kylning i fast tillstånd, där material utsätts för stress för att frigöra och absorbera (latent) värme, har varit under utveckling det senaste decenniet och är en föregångare inom de så kallade alternativa kylteknikerna. Formminneslegeringar (SMA) har visat sig uppvisa en betydande elastokalorisk kyleffekt; dock, förekomst av hysteres – arbete som går förlorat i varje cykel och orsak till materialutmattning och eventuellt fel – är fortfarande en utmaning.

För detta ändamål, ett internationellt team av medarbetare under ledning av UMD A. James Clark School of Engineering Professor Ichiro Takeuchi har utvecklat ett förbättrat elastokaloriskt kylmaterial med en blandning av nickel och titanmetaller, smidd med en 3D-skrivare, som inte bara är potentiellt mer effektiv än nuvarande teknik, men är helt "grön". Dessutom, den kan snabbt skalas upp för användning i större enheter.

"Inom detta område av alternativa kyltekniker, det är mycket viktigt att arbeta med både material, såväl som systemens slut – vi har turen att ha ett högkvalificerat team av experter på UMD College Park som kan arbeta i båda ändar, " sade professor Takeuchi. "Det är först när dessa två ansträngningar är nära anpassade som du gör snabba framsteg, vilket vårt team kunde göra."

Jämförelsevis sett, det finns tre klasser av kaloriskylningsteknik – magnetokalorisk, elektrokaloriska och elastokaloriska - som alla är "gröna" och ångfria. Magnetokalorisk, den äldsta av de tre, har varit under utveckling i 40 år och är just nu på väg att kommersialiseras.

"Behovet av additiv teknik, annars känd som 3D-utskrift, inom detta område är särskilt akut eftersom dessa material också fungerar som värmeväxlare, levererar kyla till ett medium som vatten, sa Takeuchi.

Takeuchi har utvecklat denna teknik i nästan ett decennium – han fick UMD Outstanding Invention of the Year för denna forskning 2010, och DOE-rankad elastokalorisk kylning, även känd som termoelastisk kylning, #1 som den "mest lovande" av alternativ kylteknik 2014 – och det är ett steg närmare kommersialisering.

"Nyckeln till denna innovation som är grundläggande, men diskuteras inte ofta, är att material tröttnar - de slits ut, ", sa Takeuchi. "Detta är ett problem när folk förväntar sig att deras kylskåp ska hålla i ett decennium, eller längre. Så, vi tog upp problemet i vår studie."

Teamet testade sin skapelse kraftigt – materialet genomgick en miljon cykler under en fyramånadersperiod och behöll fortfarande sin integritet. "Vissa kända elastokaloriska material börjar uppvisa nedbrytning i kylningsbeteende efter bara hundratals cykler. Till vår förvåning, det nya materialet vi syntetiserade visade ingen förändring efter en miljon cykler, sa Hou, verkets första författare. Tillverkningen av metalltillsats som använder en laser för att smälta och sedan blanda metaller i pulverform. Genom att kontrollera pulvermatningen, teamet kunde producera nanokompositer som gav upphov till den robusta mekaniska integriteten i materialet.