Μπορεί η θερμότητα να διοχετεύεται με τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο που τα ηλεκτρικά κυκλώματα ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρισμού; Ενδεχομένως ναι, σύμφωνα με μια νέα μελέτη, εάν ένα νέο είδος οιονεί σωματίου (quasiparticle) θα μπορούσε να αξιοποιηθεί αποτελεσματικά για να γίνει κάτι σαν «διακόπτης» θερμότητας.
Σχεδόν οποιαδήποτε σύγχρονη τεχνολογική εξέλιξη θα μπορούσε να είναι μια μελέτη περίπτωσης για τη διοχέτευση ηλεκτρικής ενέργειας σε κάποιου είδους εφαρμογή. Με τα κατάλληλα υλικά, η θερμότητα θα μπορούσε να συμπεριφέρεται σαν ένα διαφορετικό είδος ηλεκτρικού ρεύματος. Ωστόσο, ο Joseph Heremans, φυσικός και μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Ohio, κύριος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, υποστηρίζει ότι «σε αντίθεση με το ηλεκτρικό ρεύμα, η θερμότητα ρέει παντού και είναι πολύ πιο δύσκολο να ελεγχθεί».
Ωστόσο, ακόμη και ένας ατελής διακόπτης θερμότητας θα μπορούσε να έχει μεγάλη σημασία. Για παράδειγμα, περισσότερο από το 70% της ενέργειας που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα προέρχεται από τη θερμότητα, όπως στην περίπτωση των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Οι διακόπτες θερμότητας μπορούν να ενισχύσουν την απόδοση ολόκληρων κατηγοριών θερμικών μηχανών, όπως οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιούν θερμότητα από τον ήλιο για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
«Η θερμοδυναμική απόδοση ενός κυκλώματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των θερμών και των ψυχρών θερμικών δεξαμενών», λέει ο Heremans. «Με έναν διακόπτη θερμότητας και ένα σύστημα αποθήκευσης θερμότητας, είναι δυνατό να διατηρηθεί η θερμοκρασία του αποθηκευτικού μέσου πολύ πάνω από τη μέση θερμοκρασία της πηγής θερμότητας και κοντά στο μέγιστο, γεγονός το οποίο μπορεί να διπλασιάσει τη θερμική απόδοση του συστήματος».
Οι σύγχρονοι διακόπτες θερμότητας είναι σχεδόν όλοι μηχανικοί, όπως αυτοί που λειτουργούν με άντληση αερίων. Τα κινούμενα μέρη των διακοπτών τους καθιστούν ευάλωτους σε αστοχίες λόγω κόπωσης με την πάροδο του χρόνου. Οι σύγχρονοι διακόπτες θερμότητας στερεάς κατάστασης είτε λειτουργούν μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ή βασίζονται σε αλλαγές φάσης που λειτουργούν σε περιορισμένο εύρος θερμοκρασιών, λέει ο Heremans. Συνεπώς, η έρευνα γύρω από ένα κοινό κεραμικό μπορεί μια μέρα να οδηγήσει σε ηλεκτρικά ελεγχόμενους διακόπτες θερμότητας στερεάς κατάστασης που μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Πώς λειτουργεί ο νέος διακόπτης θερμότητας;
Οι ερευνητές ανέλυσαν την ένωση lead zirconium titanate (PZT) που είναι ένα πιεζοηλεκτρικό κεραμικό άρα μπορεί να μετατρέψει τις μηχανικές ταλαντώσεις σε ηλεκτρικά σήματα και αντίστροφα. Το PZT ανήκει σε ένα είδος πιεζοηλεκτρικών ενώσεων γνωστών ως σιδηροηλεκτρικά υλικά (ferroelectric materials). Τα ηλεκτρικά φορτία μέσα στα υλικά διαχωρίζονται σε θετικούς και αρνητικούς πόλους, και στα σιδηροηλεκτρικά υλικά, αυτά τα ηλεκτρικά δίπολα είναι γενικά πολωμένα ή ευθυγραμμισμένα προς την ίδια κατεύθυνση. Τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα δίπολα προσανατολίζονται.
Προηγούμενη έρευνα ανέφερε ότι η πόλωση στα σιδηροηλεκτρικά υλικά θα μπορούσε να μεταβάλλεται με τη μορφή οιονεί σωματίων (quaziparticles) -που κινούνται μέσα σε πλέγματα ατόμων σαν σωματίδια που διασχίζουν το χώρο- και στη θεωρία είναι γνωστά ως φερόνια (ferrons). Παρόμοια οιονεί σωμάτια γνωστά ως μαγνόνια (magnons) μπορούν να επηρεάσουν τους μαγνητικούς πόλους των μαγνητικών υλικών. Τα μαγνόνια μπορούν να μεταφέρουν θερμότητα, γεγονός που οδήγησε τους ερευνητές να αναρωτηθούν αν τα φερόνια θα μπορούσαν επίσης να διαχειριστούν τη θερμότητα.
Οι επιστήμονες πέτυχαν την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι τα φερόνια υπάρχουν και ότι αυτά τα οιονεί σωμάτια μπορούν πράγματι να μεταφέρουν θερμότητα. Επιπλέον, η έρευνα τους δείχνει ότι τα φερόνια είναι ευαίσθητα στα ηλεκτρικά πεδία, υποδηλώνοντας ότι τα σιδηροηλεκτρικά υλικά θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως διακόπτες θερμότητας.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ατομικές δονήσεις -δηλαδή η θερμότητα- σε ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό μπορούν να ανταποκριθούν σε ηλεκτρικά πεδία λόγω ενός φαινομένου που είναι γνωστό ως πιεζοηλεκτρική τάση (piezoelectric strain). Όταν εφαρμόζεται τάση στο σιδηροηλεκτρικό υλικό, το πλέγμα των ατόμων μπορεί να συστέλλεται ή να διαστέλλεται, μεταβάλλοντος τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού καθώς και τη θερμική του αγωγιμότητα.
«Δείξαμε ότι τα φωνόνια (τα κύματα δόνησης σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα) μπορούν να ελεγχθούν από ηλεκτρικά πεδία», λέει η συγγραφέας της μελέτης Brandi Wooten, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Ohio. «Το κόλπο είναι να βρείτε το κατάλληλο υλικό που να διαθέτει τις επιθυμητές ιδιότητες για να γίνει αυτό πραγματικότητα. Νέες προσεγγίσεις με ήδη γνωστά υλικά, μπορούν να οδηγήσουν σε νέα και ακόμη πιο ενδιαφέροντα αποτελέσματα».
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό PZT θα μπορούσε να το κάνει να λειτουργεί σαν διακόπτης θερμότητας, με αποτέλεσμα μια διαφορά της τάξης του 2% μεταξύ της μέγιστης και της ελάχιστης θερμικής αγωγιμότητάς του, όπως είχαν προβλέψει. Η επίδραση αυτού του ηλεκτρικού πεδίου στη θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου είναι τέσσερις έως πέντε φορές μεγαλύτερη από ό,τι είχε επιτευχθεί σε προηγούμενες ανάλογες έρευνες. Τα αποτελέσματα αποδείχθηκαν πολύ συνεπή. «Ο μηχανισμός είναι πολύ στιβαρός και αξιόπιστος, ιδανικός για έναν θερμικό διακόπτη που θα πρέπει να διαρκέσει δεκαετίες σε μια συσκευή», λέει η Wooten.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο για να προβλέψουν τις ιδιότητες των φερονίων στα σιδηροηλεκτρικά υλικά. Τώρα προσπαθούν να δουν αν μπορούν να βρουν υλικά στα οποία το φαινόμενο της εναλλαγής θερμότητας είναι πολύ σημαντικό. «Τώρα που έχουμε μια προγνωστική θεωρία, ξεκινάμε τη διαδικασία βελτιστοποίησηςι», λέει ο Heremans. «Ελπίζουμε, φυσικά, ότι πολλές ομάδες σε όλο τον κόσμο θα συμμετάσχουν σε αυτή τη διαδικασία». Ο Heremans υποστηρίζει ότι υπάρχουν πιεζοηλεκτρικά υλικά που μπορεί να ταιριάζουν στις πρακτικές εφαρμογές της νέας τεχνολογίας διακόπτη θερμότητας. «Δεν είναι ένα όνειρο» λέει.
Τα κοινά σιδηροηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν «ευρέως χρησιμοποιούμενα, σχετικά φθηνά οξείδια που δε χρησιμοποιούν σπάνια υλικά και είναι εύκολα προσβάσιμα στην αγορά», λέει η Wooten. Οι ερευνητές αναμένουν ότι η εναλλαγή θερμότητας με βάση τα σιδηροηλεκτρικά υλικά «θα αποτελέσει μια εναλλακτική λύση σε εφαρμογές θερμικής εναλλαγής λόγω του χαμηλού κόστους υλικών και λόγω της ευκολίας εφαρμογής σε συσκευές και υποδομές».
Με πληροφορίες από spectrum.ieee.org
