Valo voisi ajaa jäähdytyssykliä ferrosähköisissä materiaaleissa

Kiintoaineinen jäähdytys on energiatehokas ja ympäristöystävällinen vaihtoehto perinteisille jäähdytysteknologioille, jotka perustuvat termodynaamisiin kasvihuonekaasuja sisältäviin kiertoihin.

Perinteisillä kaloritehosteilla on kuitenkin useita haasteita, jotka estävät niiden käytännön soveltamisen kylmälaitteissa.

Katalonian ammattikorkeakoulun tutkijat osoittava, että valon aiheuttamilla faasisiirtymillä polaarioksidiperovskiiteissa on potentiaalia voittaa tällaiset rajoitukset.

Claudio Cazorla ja hänen työtoverinsa ovat käyttäneet sarjaa numeerisia menetelmiä löytääkseen arkkityyppisen ferrosähköisen materiaalin, kaliumniobaatin (KNO), olevan myös fotokalorinen vaikutus: UV-säteilyn vaikutuksesta KNO absorboi palautuvasti lämpöä.

Koska vaikutus on suuri ja toimii laajalla lämpötila-alueella, myös huoneenlämpötilassa, kaliumniobaatti voisi toimia uusien jäähdytyslaitteiden työväliaineena.

Kaliumniobaatti on velkaa ferrosähköisistä ja fotokalorisista vaikutuksistaan perovskiittikiderakenteesta, jossa on niobiumioni, jota ympäröi oktaederinen happi-ionien häkki. Alhaisissa lämpötiloissa niobiumioni siirtyy häkin keskustasta, mikä saa aikaan sähköisen polarisaation (ferrosähköisen ilmiön). Yli 700 K:n lämpötilassa kaliumniobaatti käyttää ei-polaarista konfiguraatiota vakaimpana vaiheena.

Cazorla ja hänen työtoverinsa ymmärsivät, että ei-polaarinen faasi on myös vakain alemmissa lämpötiloissa, jos kaliumniobaattia valaistaanUV-fotoneilla, jotka pystyvät avittamaan elektroneja johtavuuskaistalle. Tällaiselle valolle altistettuna kaliumniobaatin pitäisi absorboida lämpöä matalan lämpötilan ympäristöstä (lämmön määrä liittyy korkean lämpötilan vaiheen lämpöenergiaan). Valon sammuttua kaliumniobaatin tulisi relaksoitua polaariseen tilaansa ja vuodattaa lämpöä.

Kaloripitoisten materiaalien ansioluku on isoterminen entropian muutos ΔS, joka mittaa kuinka paljon lämpöä voidaan ottaa pois tietyssä lämpötilassa. Cazorla ja hänen työtoverinsa laskivat kaliumniobaatin ΔS on 100 JK -1 kg -1, mikä on verrattavissa muihin kiintoainejäähdytyksessä harkittaviin materiaaleihin.

Kaliumniobaatin erityinen mahdollinen etu on, että sen fotokalorisen vaikutuksen arvioidaan jatkuvan käyttökelpoisella alueella -73 – +126 °C. Siis vaikkapa kiintoainerakenteinen jääkaapin jäähdytysmekaniikka.

Tutkijat odottavat näiden havaintojen olevan yleistettävissä muihin materiaaleihin, jotka osoittavat samanlaista polaarista käyttäytymistä.

Aiheesta aiemmin:

Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille

Käännetään ledi jäähdyttäjäksi

Magneettista jäähdytystä