Rosnące zapotrzebowanie na chłodzenie, szczególnie w zakresie zamrażania, przyczynia się do znaczącego wzrostu zużycia energii na świecie. Tradycyjne metody opierające się na sprężarkach parowych, wykorzystujące szkodliwe dla środowiska gazy chłodnicze, stanowią poważne zagrożenie dla klimatu. Naukowcy z The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) dokonali przełomowego odkrycia, opracowując pierwsze na świecie urządzenie do zamrażania oparte na efekcie elastochłodzenia, zdolne do osiągania temperatur poniżej zera stopni Celsjusza – aż do -12°C. To otwiera drogę do zrewolucjonizowania branży chłodniczej i znacznego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Nature".
Efekt elastochłodzenia – alternatywa dla tradycyjnych rozwiązań
Efekt elastochłodzenia wykorzystuje właściwości metali o pamięci kształtu (shape memory alloys – SMA), które zmieniają objętość w odpowiedzi na zmiany temperatury. Proces ten pozwala na chłodzenie bez użycia gazów chłodniczych, co eliminuje ryzyko emisji szkodliwych substancji dla środowiska. Dotychczas zastosowanie tej technologii ograniczało się głównie do klimatyzacji w pomieszczeniach o temperaturze pokojowej. Nowe odkrycie HKUST poszerza zakres jej zastosowania na obszar zamrażania, którego wartość na rynku jest porównywalna z klimatyzacją.
Przełomowe rozwiązanie – innowacyjne połączenie technologii
Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Qingpinga Suna, z Katedry Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej HKUST, osiągnął ten przełom dzięki połączeniu innowacyjnych rozwiązań materiałowych, płynu roboczego oraz struktury chłodniczej. Kluczowe elementy nowego urządzenia to:
- Superelastyczny stop NiTi: Wykorzystano stop niklu i tytanu (NiTi) o niskiej temperaturze przejścia, zawierający 51,2 % niklu. Obniżenie temperatury Austenitowej Przemiany (Af) do -20,8 °C pozwoliło na zachowanie doskonałej superelastyczności i dużej pojemności ciepła nawet w niskich temperaturach. Urządzenie wykazuje zmianę temperatury adiabatycznej o 16,3 °C przy 0 °C i działa w zakresie temperatur od -20 °C do 24 °C.
- Płyn roboczy odporny na zamarzanie: Zastosowano roztwór wodny chlorku wapnia o stężeniu 30 % wagowym. Dzięki niskiej temperaturze zamarzania, płyn ten pozostaje w stanie płynnym nawet w niskich temperaturach, a jego dobra nasiąkliwość na powierzchni stopu NiTi poprawia efektywność wymiany ciepła.
- Kaskadowa architektura rurowa: Generator pracuje w oparciu o aktywny cykl Braytona, oparty na kompresji, i składa się z ośmiu kaskadowo połączonych jednostek, z których każda zawiera trzy cienkościenne rurki NiTi. Taki układ zapewnia duży stosunek powierzchni do objętości (8,68 mm⁻¹) i wytrzymuje kompresyjne naprężenia do 900 MPa bez pękania, co potwierdzono badaniami tomografii komputerowej.
Demonstracja działania i potencjał energooszczędności
Podczas testów urządzenie o wielkości biurka, pracujące z częstotliwością 1 Hz, osiągnęło temperaturę źródła chłodzenia wynoszącą -12 °C, wykorzystując radiator o temperaturze 24 °C. W rzeczywistych warunkach system zintegrowany z urządzeniem o wymiarach 1,0 × 0,5 × 0,5 m³ i umieszczony na zewnątrz schłodził komorę izolowaną do stabilnej temperatury -4 °C w ciągu 60 minut, a 20 ml wody destylowanej zamieniło się w lód w ciągu 2 godzin, potwierdzając jego realne zdolności chłodnicze. Urządzenie wykazało moc chłodniczą wynoszącą nawet 1,43 W na gram, w warunkach braku zmiany temperatury. Współczynnik efektywności urządzenia może sięgnąć 3,4 przy idealnym odzyskiwaniu energii, co świadczy o jego wysokim potencjale energooszczędnościowym.
Znaczący wpływ na redukcję emisji gazów cieplarnianych
Rozwiązanie to ma potencjał znaczącego wpływu na walkę z globalnym ociepleniem. Według dostępnych danych emisje HFC (hydrofluorocarbony) osiągną w 2025 roku ponad 1,2 gigatony CO₂ ekwiwalentu rocznie, a około 27 % tej ilości pochodzi z zastosowań zamrażania. Oznacza to około 330 milionów ton CO₂ ekwiwalentu rocznie. Wdrożenie technologii elastochłodzenia na szeroką skalę może potencjalnie zmniejszyć te emisje o 330 milionów ton CO₂ ekwiwalentu rocznie, w znacznym stopniu przyczyniając się do osiągnięcia globalnych celów klimatycznych.
Dalsze kierunki rozwoju i perspektywy ekspertów
Profesor Qingping Sun podkreślił: "To osiągnięcie demonstruje potencjał do szerokiego zastosowania technologii elastochłodniczego zamrażania. Współpracujemy z przemysłem, aby przyspieszyć jego komercjalizację. Wraz z zaostrzaniem się globalnych przepisów dotyczących HFC, ta technologia bezemisyjna i energooszczędna ma szansę zrewolucjonizować branżę chłodniczą i zapewnić kluczowe rozwiązanie techniczne dla neutralności węglowej."
Profesor Lu Mengqian, dyrektor Centrum Odporności na Klimat i Zrównoważonego Rozwoju HKUST, dodał: "To przełomowe osiągnięcie w technologii elastochłodniczego zamrażania, dokonane przez członków naszego centrum, stanowi znaczący krok naprzód w walce z globalnym ociepleniem. Oferując bezemisyjną alternatywę dla aplikacji o niskich temperaturach, odpowiadamy na pilną potrzebę zrównoważonych rozwiązań chłodniczych. To fenomenalne osiągnięcie, biorąc pod uwagę, że centrum powstało zaledwie w lipcu 2025 roku, przyspiesza realizację misji centrum, czyli dostarczanie skutecznych strategii odporności na klimat i zrównoważonego rozwoju na całym świecie."
Dalsze prace zespołu badawczego skupią się na optymalizacji efektywności systemu, zwiększeniu jego gęstości mocy i redukcji kosztów poprzez postęp w materiałach ze stopów pamięci kształtu, procesach produkcyjnych, projektowaniu wymienników ciepła oraz integracji i optymalizacji systemu, aby osiągnąć większą moc chłodniczą i wysoką efektywność energetyczną.