Kylning har varit en så integrerad del av vår vardag så länge att vi sällan tänker på det. Vår mat är färsk och våra kontor och vardagsrum är temperaturkontrollerade tack vare ångkompressionsteknik som utvecklades för över ett sekel sedan, som har blivit en integrerad del av sjukvården, transport, militärt försvar, och mer.

Enligt U.S. Energy Information Administration, nästan en fjärdedel av USA:s totala elanvändning går till kylning i en eller annan form. Globalt, FN:s miljöprogram uppskattar att antalet kylapparater i drift kommer att mer än fördubblas till år 2050. Dagens ångkompressionssystem flyttar värme genom en sluten kretscykel genom att komprimera, kondensera, expanderar, och förångning av en kylvätska. Beroende på konfiguration och driftläge, ångkompressionssystem kan tillhandahålla rumskylning och/eller uppvärmning för att upprätthålla en bekväm miljö i byggnader. Och även om ångkompression är en mycket mogen och en relativt billig teknik, den har nästan nått sin teoretiska gräns för potentiell energieffektivitet. Vi behöver nya system som förbättrar energieffektiviteten för kyla.

Av dessa skäl, en grupp forskare och ingenjörer vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory är inspirerade av tanken att kylning kan förbättras radikalt – göras billigare, rengöringsmedel, och mer energieffektivt – genom att överge ångkompression för något helt nytt:ett kalorisystem i fast tillstånd. Solid-state kalorisystem förlitar sig på de reversibla termiska fenomenen för att tillhandahålla kylning och uppvärmning när en magnetisk, elektrisk, eller stressfältet varierar, t.ex. magnetokaloriska, elektrokaloriska, respektive elastocaloric. Tanken att kalorisystem skulle kunna användas som ersättning för traditionell kylteknik är faktiskt ingen nyhet. De senaste 20 åren, materialforskare har letat efter föreningar som kan generera starka kyleffekter när de agerar cykliskt. Ytterligare effektivitetsvinster kan också realiseras genom att kombinera flera av dessa kalorifenomen tillsammans, något som inte erbjuds av ångkompression.

"Det är som att ersätta glödlampan med en LED-lampa. Den här nya tekniken kan ha en liknande effekt, men med potential att uppnå på ett helt annat och ännu mer effektivt och hållbart sätt, " sa projektledaren Vitalij Pecharsky, Ames Lab-forskare och Iowa State University Anson Marston Distinguished Professor of Materials Science and Engineering. "Vi är försenade med samma typ av förändring inom kyl- och värmepumpsindustrin." Och medan många lovande material och system finns, även till den grad att snygga prototypapparater har rullats ut på industrimässor under de senaste åren, kostnaderna förblir ett stort hinder för utbredd tillverkare och konsumentantagande.

Ames Laboratory har under lång tid arbetat med forskning om kalorier, går tillbaka till deras banbrytande upptäckt av den gigantiska magnetokaloriska effekten 1997, och aktuell forskning har gett dem fem patent enbart inom materialupptäckt.

Nu vänder de sig mot material- och systemutveckling.

Forskningsinsatsen syftar till att minska kostnaderna för kalorisystem genom att öka effekttätheten hos magnetokaloriska och elastokaloriska system. I magnetokaloriska system, att kunna producera ökade kyleffekter i ett mindre magnetfält är nyckeln till att kontrollera kostnaderna. I elastokaloriska system, reducera stressfältet till mindre värden, sänker både storleken och kostnaden för manöverdon, och förlänger det aktiva materialets livslängd. Dessutom, sa Pecharsky, Att kontrollera systemenergiförluster genom smart teknik kommer att vara avgörande.

"Vi vet att det är genomförbart. Det har demonstrerats många gånger. Men vi vet att det verkliga hindret som förhindrar språnget till säljbar teknologi är överkomliga priser, och det är vad vi tar itu med i vår nuvarande ansträngning, sa Pecharsky.