Användningen av solid state-kylskåp för att kyla apparater och elektroniska apparater är en möjlig teknisk applikation för en teoretisk studie utförd vid University of Campinas (UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien.

Även om denna ansökan inte beaktas i studien, som baserades på datorsimuleringar, sådana applikationer är i horisonten och kan vara ett effektivt och miljövänligt alternativ till ångkompressionskylskåp, som idag dominerar marknaden och bidrar till ozonnedbrytning och global uppvärmning.

Studien, ledd av Alexandre Fonseca med deltagande av hans tidigare student Tiago Cantuário, var en del av projektet "Carbon nanostructures:modellering och simuleringar, " stöds av São Paulo Research Foundation—FAPESP. Resultaten publiceras i en artikel i tidskriften Annalen der Physik .

"Solid-state kyla är ett ungt forskningsfält med lovande resultat. Metoden vi undersökt bygger på den så kallade elastocaloric effect (ECE), som använder sig av temperaturvariationer i ett system som svar på mekanisk stress. Vi utförde datorsimuleringar av denna effekt i kolnanorör, sa Fonseca.

I den makroskopiska världen, en analog effekt observeras när ett gummiband värms upp när det snabbt sträcks och svalnar igen när det släpps. Effekten uppstår om deformationen appliceras på materialet så att det inte sker någon värmeöverföring in i eller ut ur systemet, dvs. när processen är adiabatisk.

"Vi började vår forskning på grundval av en artikel med titeln "Elastokalorisk effekt i kolnanorör och grafen", publicerad 2016 av Sergey Lisenkov och medarbetare. Den beskrev en datorsimuleringsstudie som visade att när en liten deformation applicerades på kolnanorör, motsvarande upp till 3 % av deras ursprungliga längd, de svarade med en temperaturvariation på upp till 30 °C, sa Fonseca.

"I motsats till Lisenkovs forskning, som simulerade endast enkel töjning och tryckkraft som applicerades på nanorören, vi reproducerade processen beräkningsmässigt för en komplett termodynamisk cykel. I vår simulering, vi övervägde två faser – töjning och frisättning av nanorör – och två värmeväxlar med två externa reservoarer. Vi uppskattade värmen som skulle extraheras av nanoröret om det var i idealisk kontakt med ett visst medium. Vi fick ett bra resultat för prestandakoefficienten jämfört med andra experimentellt testade material."

Prestandakoefficienten definieras som värmen som utvinns av ett system från en given region dividerat med den energi som förbrukas för att göra det. När det gäller ett hushållskylskåp, till exempel, den visar mängden värme som utvinns av apparaten från den inre miljön i proportion till den förbrukade elektriciteten. De bästa hushållskylskåpen har prestandakoefficienter i storleksordningen 8, vilket innebär att de överför åtta gånger mer värmeenergi från insidan till utsidan än den mängd el som utvinns från elnätet för att utföra utbytet.

"Simulerar processen för två olika nanorör, vi fick prestandakoefficienter på 4,1 och 6,5. Detta är relativt bra siffror jämfört med de för andra värmeväxlingsfenomen, " förklarade Fonseca.

En annan fördel hänför sig till atomär och molekylär struktur. "När det gäller vissa material, tillämpningen av draghållfasthet gör att provet ändrar fas genom att modifiera dess kristallstruktur. När det gäller nanorör, den termiska effekten beror enbart på expansion och avslappning av strukturen, som inte är modifierad. Detta är en fördel eftersom fasförändringar gör att materialet gradvis förlorar sin förmåga att påverka funktionen av intresse. När det gäller nanorör, dock, processen producerar inte några strukturella transformationer som kan orsaka defekter. Atomerna separeras under expansion och återgår till sina ursprungliga positioner med avslappning, " han sa.

Nanoskala

Enligt Fonseca, brotttester har visat att kolnanorör kan sträcka sig så mycket som 20 %. Denna deformationsbeständighet i kombination med hög prestanda i elastokaloriska effekter gör kolnanorör till intressanta material för utveckling av elektronik i nanoskala.

"Kärnproblemet inom elektronik är kylning. Vår motivation var att föreställa oss en enhet som kunde använda en enkel cykel för att extrahera värme från en apparat. Kolnanorör visade sig vara mycket lovande, " sade han. "De har också en annan dygd, vilket är att de är tillräckligt små för att bäddas in i en polymermatris, en önskvärd egenskap i en tid då tillverkare investerar i forskning och utveckling för att få flexibla elektroniska enheter som vikbara smartphones." Allt detta är en del av en större bild där ångkompressionskylskåp ersätts av solid state-kylskåp i samband med globala klimatförändringar.