پژوهشگران مؤسسهٔ فناوری کارلسروهه (KIT) و دانشگاه تسوکوبا نمونهای از خنککنندهٔ حالتجامد معرفی کردهاند که بدون موتور و با استفاده از گرمای ورودی، کار مکانیکی لازم برای تولید سرما را تأمین میکند. این راهکار میتواند بخشی از گرمای زائد پردازندهها و مراکز داده را به سرمایش تبدیل کند.
گرما به سرما؛ روش کار دستگاه
نمونهٔ آزمایشی از دو فیلم فلزی بسیار نازک ساخته شده است: یک فیلم تیتانیوم–نیکل (TiNi) به ضخامت 22 میکرومتر که بهعنوان عملگر عمل میکند و هنگام گرمشدن منقبض میشود، و یک فیلم تیتانیوم–نیکل–آهن (TiNiFe) به ضخامت 26.5 میکرومتر که بهعنوان مبرد الاستوکالریک کار میکند. انقباض فیلم عملگر نیروی مکانیکی لازم برای کشیدن و بارگذاری فیلم مبرد را فراهم میآورد؛ وقتی بار از مبرد برداشته شود، گذار فازی برگشتپذیر گرما جذب میکند و سردشوندگی ایجاد میشود.
نتایج آزمایشگاهی
- گرمایش ژولی عملگر تا 86°C بازهٔ دمایی 12.9 K را در سراسر فیلم مبرد و 4.0 K را در سطح دستگاه ایجاد کرد (اختلاف بین سمت گرم و سرد).
- با استفاده از منبع گرمایی خارجی 130°C بهجای گرمایش مقاومتی، دستگاه هنوز بازهٔ دمایی 2.2 K در سطح نشان داد که امکان راهاندازی چرخهٔ خنکسازی با تکیه بر گرمای بیرونی را اثبات میکند.
- نسبت نیرو به جابجایی عملگر حرارتی 14.5 N/mm ثبت شد؛ در حالی که یک عملگر الکترومکانیکی مرجع تجاری حدود 1.1 N/mm داشت.
- توان خنککنندگی ویژه در حالت ژولی 4.43 W/g و هنگام تغذیه از منبع گرمای بیرونی 3.32 W/g اندازهگیری شد.
الاستوکالریک در برابر سیستمهای متعارف
سیستمهای رایج سرمایش و تهویه بر مبنای چرخهٔ تراکم–تبخیر و کمپرسور کار میکنند و معمولاً به برق وابستهاند و از مبردهایی با پتانسیل گرمایش جهانی استفاده میکنند. خنککنندگی حالتجامد، از جمله روشهای ترموالکتریک، گرما را بدون حلقهٔ کمپرسور–مبرد منتقل میکند. دستگاههای ترموالکتریک معمولاً بازدهی محدودی نسبت به حد کارنو معکوس دارند، اما الاستوکالریک با تغییر ساختار بلوری آلیاژهای حافظهشکل از گذارهای فازی برای تولید اثر سرمایشی بهره میبرد. اطلاعات تکمیلی دربارهٔ آلیاژهای حافظهشکل در ویکیپدیا در دسترس است: ویکیپدیا — آلیاژ حافظهشکل.
مزایا و کاربردهای قابل انتظار
- حذف عملگرهای الکتریکی یا موتورها به کاهش مصرف برق و پیچیدگی مکانیکی میانجامد؛ مناسب برای سیستمهای مینیاتوری و محیطهای با محدودیت فضا.
- قابلیت بهرهگیری از گرمای زائد، مانند هوای خروجی یا گرمای پردازنده، امکان بازیافت انرژی و بهبود بهرهوری مراکز داده را فراهم میکند.
- پتانسیل استفاده بهعنوان مکمل یا جایگزین در مکانهایی که دسترسی به برق محدود است یا بازیافت گرما اولویت دارد.
محدودیتها و مسیر توسعه
این فناوری هنوز در سطح نمونهٔ آزمایشگاهی است و برای تبدیل شدن به محصولی مقیاسپذیر و قابلاطمینان باید چند چالش فنی حل شود: دوام آلیاژها در چرخههای تکراری، کنترل دقیق چرخههای حرارتی، و یکپارچگی با زیرساختهای خنککننده موجود. گامهای بعدی شامل بهبود مادونعمری آلیاژها، طراحی ماژولار برای نصب صنعتی، و تحلیل اقتصادی ادغام سامانهها خواهد بود.
نتایج پژوهشی تیم در نشریهٔ Nature Energy منتشر شده و اطلاعات تکمیلی در وبسایتهای KIT و University of Tsukuba در دسترس است.
چشمانداز کاربرد در مراکز داده
در صورت موفقیت در مقیاسبندی و پایدارسازی، این رویکرد میتواند به مراکز داده اجازه دهد بخشی از گرمای تولیدی خود را بازیافت و در محل برای کاهش بار سیستمهای تهویه استفاده کند؛ اقدامی که هزینهها و ردپای کربنی را کاهش میدهد. تمرکز تحقیقاتی آینده باید روی دوام مواد، طراحی یکپارچهٔ ماژولها و ارزیابی اقتصادی پیادهسازی در محیطهای عملیاتی باشد.
