En fast substans kan fungera som ett medium för värme- och ljudvågsinteraktioner precis som en vätska gör för termoakustiska motorer och kylskåp - vilket resulterar i läckagefria maskiner som kan vara i drift längre.

Läckande system har begränsat hur ingenjörer designar termoakustiska enheter som förlitar sig på samspelet mellan temperatursvängningar och ljudvågor. Forskare vid Purdue och University of Notre Dame har för första gången visat att termoakustik teoretiskt kan förekomma i såväl fasta ämnen som vätskor, presenterade nyligen sina resultat vid det 175:e mötet i Acoustical Society of America.

"Även om det fortfarande är i sin linda, denna teknik kan vara särskilt effektiv i tuffa miljöer, såsom yttre rymden, där starka temperaturvariationer är fritt tillgängliga och när systemfel skulle äventyra det övergripande uppdraget, sa Fabio Semperlotti, Purdue biträdande professor i maskinteknik.

Termoakustik har varit ett etablerat och välstuderat fenomen i vätskor – vare sig det är som gas eller vätska – i århundraden. "Att applicera värme på en vätska som är innesluten i en kanal eller kavitet kommer att orsaka spontan generering av ljudvågor som fortplantar sig i själva vätskan, sa Carlo Scalo, en biträdande professor i maskinteknik vid Purdue. "Detta resulterar i så kallade sjungande pipor, eller termoakustikmaskiner."

Även om vätskor historiskt har använts för dessa system, det extra steget att bygga något för att innehålla vätskorna och förhindra läckage är besvärligt. Detta fick forskarna att överväga fasta ämnen som en ersättning.

"Fastämnenas egenskaper är mer kontrollerbara, vilket skulle kunna göra dem potentiellt bättre lämpade för dessa applikationer än vätskor. Vi behövde först verifiera att detta fenomen teoretiskt kunde existera i fasta medier, sa haitiska Hao, Purdue forskarassistent inom maskinteknik.

Termoakustik gör att antingen spillvärme eller mekaniska vibrationer kan omvandlas till andra användbara energiformer. För kylskåp, ljudvågor genererar en temperaturgradient av varmt och kallt. Den vibrerande rörelsen gör kalla områden kallare och varma områden varmare.

Motorer använder en motsatt process:en temperaturgradient från spillvärme leder till mekaniska vibrationer.

Solid state termakustik verkade initialt osannolik, eftersom fasta ämnen är något mer "stabila" än vätskor och tenderar att avleda mekanisk energi lättare, vilket gör det svårare för värme att generera ljudvågor.

Forskarna utvecklade en teoretisk modell som visar att en tunn metallstav kan uppvisa självständiga mekaniska vibrationer om en temperaturgradient periodiskt appliceras på segment av staven. Detta balanserade oönskad mekanisk energiförlust och visade att, som vätskor, fasta ämnen drar ihop sig när de svalnar och expanderar när de värms upp. Om den fasta substansen drar ihop sig mindre när den kyls och expanderar mer när den värms upp, den resulterande rörelsen kommer att öka med tiden.

Fasta ämnen kan också konstrueras för att uppnå de nödvändiga egenskaperna för att uppnå hög termakustikprestanda. "Vätskor tillåter oss inte att göra detta, sa Semperlotti.

Extrema temperaturskillnader i rymden skulle vara perfekt för att generera mekaniska vibrationer som sedan omvandlas till elektrisk energi på rymdfarkoster.

"En solid state-enhet skulle använda solen som sin värmekälla och strålning mot djupa rymden som sin kalla källa, " Sa Semperlotti. "Dessa system kan fungera på obestämd tid, med tanke på att de inte har någon del i rörelse eller vätska som kan läcka ut."

Forskare behöver fortfarande slutföra en experimentell uppställning för att validera denna designidé och bättre förstå termoakustiken hos fasta ämnen som upptäckts genom matematiska beräkningar och modellering.

"Möjliga tillämpningar och prestanda för dessa enheter är fortfarande i sfären av ren spekulation vid denna tidpunkt, "Men fenomenet existerar och det har potential att öppna några anmärkningsvärda anvisningar för utformningen av termakustiska enheter."