OPLEIDING
Install Magazine 996 – maart 2024
Japanse onderzoekers ontwikkelen materiaal met sterk barocalorisch effect
Er wordt volop onderzoek gedaan naar alternatieven voor de gangbare compressiecyclus voor koelen en verwarmen. Een mogelijkheid is het benutten van het zogenaamde barocalorisch effect. Dat is een fenomeen waarbij een materiaal opwarmt als er druk op wordt uitgeoefend, en weer afkoelt als die druk wordt weggenomen. Dat fenomeen kan gebruikt worden om een thermische cyclus aan te drijven. Als de geproduceerde warmte wordt afgevoerd naar een afgiftesysteem, zal het materiaal immers warmte onttrekken aan de omgeving zodra de druk weer verwijderd wordt. Zo ontstaat er een warmtepompcyclus. Het grote voordeel aan dit werkingsprincipe is dat er geen koelmiddelen aan te pas komen.
Veelbelovend materiaal
Het komt er echter op aan om een materiaal te vinden dat een voldoende groot temperatuursverschil kan creëren, en dat bovendien bij omgevingstemperatuur bruikbaar is. Een team van Japanse onderzoekers onder leiding van Shin-Ichi Ohkoshi (Universiteit van Tokyo, Universiteit van Tsukuba, en de firma’s Molsis en Aisin) heeft een veelbelovend materiaal gevonden. Het gaat om cyano-RbMnFeCo, dat een berekend maximaal temperatuursverschil van 142 K bij een druk van 560 MPa kan creëren. In tests bereikten de onderzoekers een temperatuurstijging van 44 K als er druk werd uitgeoefend. Zodra de druk werd weggenomen, koelde het materiaal af tot -31 K onder de uitgangstemperatuur, zodat de cyclus een totaal bereik heeft van 75 K.
Om praktisch bruikbaar te zijn, moet het effect stabiel blijven, ook na herhaalde cycli. De onderzoekers onderwierpen het materiaal dan ook aan een duurtest van 103 cycli. Na afloop werd er geen vermindering van het barocalorisch effect vastgesteld.
Toepassingen
De onderzoekers zien diverse toepassingsmogelijkheden voor het materiaal, onder meer omdat het een goede thermische geleidbaarheid vertoont (20 W/mK), zodat de warmte efficiënt kan worden toe- en afgevoerd bij herhaalde cycli. Het hoge temperatuursverschil betekent ook dat er geen cascade-opstelling nodig is om nuttige vermogens te bereiken. Bij andere barocalorische materialen is dat wel het geval. Tenslotte vallen de kosten van het materiaal mee: de kerncomponenten rubidium, mangaan en ijzer zijn gemakkelijk verkrijgbaar.
Tijdens de test werd een temperatuur van 53°C gemeten, en temperaturen van 77°C zijn theoretisch haalbaar. Dat maakt deze cyclus geschikt voor toepassingen in gebouwenverwarming. De onderzoekers zien verder mogelijkheden een snelle koeling van 25°C tot -50°C te realiseren, onder meer voor de voedingsindustrie. Een directe toepassing van het materiaal bestaat erin het te combineren met een piëzo-elektrisch substraat voor een compact koelelement dat oververhitting van elektrische apparaten kan vermijden.
Door Alex Baumans
Figuur: Shin-Ichi Ohkoshi et al.
