Şekil hafızalı alaşımlar ile enerji verimliliği

Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (HKUST) Mühendislik Bölümü’ndeki araştırmacılar, olağanüstü soğutma performansı eldesine sahip düşük güçlü bir soğutma cihazı buldular. Bu cihaz, endüstrilerin yürütülme biçimini değiştirecek ve ayrıca küresel olarak kullanılan enerji miktarını azaltacak.¹

Şekil hafızalı alaşımlar (SMA‘lar) kullanan elastokalorik soğutma, yeni nesil çevre dostu soğutma için umut vadeden bir adaydır. Sıcaklık kaldırma (T_kaldırma), yani soğutma cihazının ısıyı düşük sıcaklıktaki bir kaynaktan yüksek sıcaklıktaki bir havuza aktarma yeteneği, kritik bir performans göstergesidir. %48’in üzerinde verimlilik artışıyla, soğutma için yeni elastokalorik teknoloji, geleneksel soğutma sistemleriyle ilişkili çevresel sorunların ele alınmasına yönelik umut vericidir. Ancak, mevcut elastokalorik cihazların T kaldırmasını artırmak, bireysel elastokalorik malzemelerin süperelastisite gösterdiği dar sıcaklık penceresi nedeniyle zordur.²

Geleneksel buhar basıncı soğutma teknolojisi, küresel ısınma için yüksek potansiyele sahip soğutuculara dayanmaktadır. Şekil hafızalı alaşımların döngüsel faz geçişinin gizli ısısına dayanan katı hal elastokalorik soğutma, %100 geri dönüştürülebilir, sera gazlarından arınmış ve enerji açısından verimli olma özelliklerine sahip çevre dostu bir alternatif sunar. Ancak, cihazın düşük sıcaklık kaynağından yüksek sıcaklık havuzuna ısıyı soğutma yeteneğinin kritik bir göstergesi olan 20 ile 50 °C arasındaki küçük sıcaklık farkı, bu teknolojinin popülerleşmesini engellemiştir. Bu engeli aşmak için, Makine ve Uzay Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Qingping ve Prof. Shuhuai liderliğindeki araştırma ekibi, nikel-titanyum (NiTi) şekil hafızalı alaşımlardan yapılmış çoklu malzeme kademeli soğutma cihazını buldu ve soğutma kapasitesi açısından mevcut rekoru kırmıştır.

Araştırma ekibi sırasıyla ostenite dönüştüğü farklı sıcaklıklara sahip üç farklı nikel-titanyum bileşiği, düşük-orta-yüksek sıcaklık ucunu seçtiler. Her bir ünitenin sıcaklıklarını, ilgili fazlarının faz geçiş sıcaklıklarıyla eşleştirerek, cihazın toplam sıcaklık aralığını 100 °C’nin üzerine çıkardılar ve her bir nikel-titanyum ünitesi optimum sıcaklık aralığında çalıştırıldı, bu da soğutma işleminin verimliliğini artırdı.

Suyu büyük sıcaklıklarda tutabilmesi için inşa edilen çok malzemeli dengeleme cihazının su sıcaklığı 75 °C ve bu, önceki 50,6 °C’lik rekordan daha yüksekti ve bu çalışma “Büyük Sıcaklık Kaldırma için Çok Malzemeli Cihaz” başlığı ile Nature Energy dergisinde yayınlandı.

Elastokalorizmle soğutma için malzeme ve yöntemler geliştirmedeki başarıları, araştırma ekibinin sıfırın altındaki elastokalorik soğutma ve yüksek sıcaklık ısı pompalaması için yüksek performanslı şekil hafızalı alaşımları ve cihazları  genişletmeyi amaçlıyor. Malzemelerin özelliklerini iyileştirecek bu son teknoloji ürünü, teknolojinin ticarileştirilmesini teşvik edecek ve verimli soğutma sistemlerini geliştirmeye devam etmelerini sağlayacaktır.

Dünyanın toplam elektrik tüketiminin %20’si alan ısıtma ve soğutmadan kaynaklanıyor. Sektör bu rakamın 2050 yılında küresel elektrik talebinin ikinci büyük kaynağı olacağını tahmin ediyor. Sun’a göre, “Gelecekte, malzeme bilimi ve Makine Mühendisliğinin sürekli evrimiyle, hem yeşil hem de enerji açısından verimli olan büyük soğutma talebine yönelik bir çözüme sahip olmamız bekleniyor. Bu, dünya çapındaki soğutma pazarı için büyük önem taşıyacak ve karbonsuzlaştırma ve küresel ısınmanın azaltılmasına yönelik acil ihtiyacı ele alacaktır”.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2024-08-eco-friendly-cooling-device-efficiency.html#google_vignette
2. Zhou et al. A multi-material cascade elastocaloric cooling device for large temperature lift, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01537-3

Dücane Özdemir