Elastokaloriska material

Tryck och drag ska kyla vår mat

Vissa material blir kallare eller varmare när de sträcks ut eller pressas ihop. Nu ska forskare använda dessa material för att skapa framtidens klimatvänliga kylskåp och luftkonditioneringsapparater.

Vissa material blir kallare eller varmare när de sträcks ut eller pressas ihop. Nu ska forskare använda dessa material för att skapa framtidens klimatvänliga kylskåp och luftkonditioneringsapparater.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Håll ett gummiband mellan fingrarna och sträck ut det så långt du kan.

Om du gör det tillräckligt snabbt blir gummibandet varmare än det var när det låg hopvikt i din handflata. Om du släpper gummibandet kommer det att kylas av tills det når sin ursprungliga temperatur.

Gummibandet exemplifierar den elastokaloriska effekten, som forskare arbetar med att försöka utnyttja. Nya typer av material utsätts för mekanisk påverkan genom att till exempel pressas ihop eller dras ut och kan på så vis ändra temperatur med över 30 grader Celsius.

På senare år har forskare från Kina, USA och Spanien lyckats åstadkomma en temperaturskillnad på 31,5 grader i ett material baserat på nickel och mangan.

Om fysikerna kan få upp temperaturskillnaden ännu mer och lösa en rad tekniska utmaningar kan de elastokaloriska materialen komma till användning när vi konstruerar framtidens gröna och energisnåla kylskåp, värmepumpar och luftkonditioneringsanläggningar.

Gummimolekyler ordnas på längden

Uppvärmningen och avkylningen av gummibandet som beskrevs i exemplet kan verka märklig, men bakom temperaturvariationen ligger välkända termodynamiska fysikaliska principer.

Genom att pressas ihop eller dras ut förändras materialets temperatur med över 30 grader Celsius.

Termodynamiken är ett område inom fysiken som bland annat beskriver hur värme, tryck och energi påverkar varandra och växelverkar i material.

En av termodynamikens pionjärer var den franske fysikern Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832), som bland annat använde termodynamiken för att lägga fram en teori om den teoretiskt sett effektivaste motorn. På den tiden användes Carnots upptäckter för att förbättra ångmotorns prestanda.

I en motor omvandlas energi i form av värme till mekanisk energi i en kolv, som via axlar får hjulen att snurra och driver ett tåg.

Om vi går tillbaka till det utsträckta gummibandet sker det omvända. Då är det gummits mekaniska rörelse som skapar värme.

Förklaringen till det är fenomenet entropi, ett uttryck för molekylers grad av oordning i ett material.

Termodynamikens andra lag anger att graden av entropi i exempelvis ett glas vatten alltid är antingen konstant eller ökande. Ett system blir med andra ord mer oordnat än det var från början om det ändrar tillstånd, till exempel is som smälter.

Exempel på entropi
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Formen påverkas av tryck och temperatur

Entropi är ett termodynamiskt begrepp som beskriver ett materials tillstånd. Både tryck, temperatur och volym bidrar till att avgöra tillståndet.

Smältande is ökar entropin

Is som smälter i ett glas vatten eller socker som löses upp i en kopp kaffe är exempel på entropi. Glaset med is avger kyla (under ökande entropi) tills glaset når rumstemperatur, då isen har smält.

Molekyler i oordning

Isen och sockret rör sig från ordning till oordning, från molekyler i en ordnad struktur till uppbrutna, kaotiska strukturer. Denna process är även känd som termodynamikens andra huvudsats.

Om vi återgår till gummibandet kommer entropin att avta och gummibandet att kylas av när gummibandet sträcks ut, men det betyder samtidigt att entropin på motsvarande vis ökar någon annanstans i systemet, detta för att bevara den totala graden av entropi. En annan del av gummibandet blir med andra ord varmare.

Metaller ändrar kristallstruktur

Vad har då detta med framtidens kylskåp att göra? Fysikerna använder naturligtvis inte gummiband i laboratoriet när de arbetar med att utveckla effektiva och hållbara elastokaloriska material. Där är det i stället så kallade minnesmetaller som visar vägen.

Minnesmetaller är legeringar av olika metaller, exempelvis nickel, mangan och titan, som genom att utsättas för en kraft i form av mekaniskt tryck eller drag ändrar temperatur på grund av den elastokaloriska effekten.

Värmepump på DTU

På Danmarks Tekniske Universitet (DTU) i Lyngby utanför Köpenhamn har man utvecklat en värmepump där ett elastokaloriskt material avger ömsom värme (röret nederst till höger) och ömsom kyla (röret överst till höger).

© Kurt Engelbrecht, DTU

Namnet minnesmetaller kommer sig av att de ”minns” sitt ursprungliga molekylära tillstånd när trycket eller draget försvinner.

Det som händer är att metallerna kristallstruktur förändras när de utsätts för exempelvis tryck. Det kallar fysikerna att den går från en austenitisk struktur, där molekylerna befinner sig i ett kubformat gallerverk, till en martensitisk struktur i form av en romb eller en diamant.

Under övergången mellan de två tillstånden värms legeringarna upp, varefter en vätska som leds förbi tar upp värmen och för den vidare i systemet.

Nästa steg är att avlägsna trycket från legeringen, som då kyls igen, men har blivit kallare än den var från början – en process som kan användas för att exempelvis kyla livsmedel.

Tekniken kan förbättra våra kylskåp

I ett vanligt kylskåp pumpar en kompressor runt en växthusgas i ett kretslopp. Längs vägen växlar den mellan vätske- och gasform i en process som skapar kyla.

I moderna kylskåp har denna process förbättrats mycket, men det är fortfarande långt kvar till en teoretisk maximal prestanda. I dag når processen i ett kylskåp upp till ungefär 20 procent.

Kylskåpsteknik
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Material får ner temperaturen i kylskåpet

När ett elastokaloriskt material pressas ihop och sedan tillåts utvidgas igen uppstår en kylcykel som kan ersätta den i moderna kylskåp.

Kolv pressas ner
© Ken Ikeda Madsen

1. Tryck värmer material

En kolv pressas mot en elastokalorisk metall. Trycket skapar oordning i materialets struktur och får det att ändra form, vilket genererar värme i kammaren. Värmen får en gasformig vätska som omger materialet att expandera.

Ånga skickas runt
© Ken Ikeda Madsen

2. Vätskan leds vidare

En envägsventil öppnas till höger i tryckkammaren, så att den gasformiga vätskan släpps ut. Ventilen gör att vätskan bara kan passera i en riktning, vilket innebär att den expanderade vätskan leds vidare i systemet och utjämnar trycket.

Material kyls igen
© Ken Ikeda Madsen

3. Material kyls igen

Kolven dras tillbaka, vilket får kammaren att kylas ner. Trycket sjunker och därmed kyls även det elastokaloriska materialet i kammaren. Kammaren blir kall för att molekylerna återfår en ordnad struktur och den så kallade entropin minskar.

Trycket sjunker
© Ken Ikeda Madsen

4. Kylan leds ut

Trycket sjunker till en lägre nivå än i den föregående kammaren. Därefter öppnas envägsventilen till vänster i systemet, så att den gasformiga kalla vätskan återigen kyler den angränsande kammaren, varefter processen börjar om från början.

Med elastokaloriska material hoppas forskarna kunna förbättra kylningens effektivitet i ett kylskåp med 10–20 procent jämfört med de bästa kylskåpen på marknaden i dag.

Det kan få stor betydelse för världens elförbrukning, där kylskåp, luftkonditioneringsapparater och värmepumpar utgör 25–30 procent av den totala elförbrukningen.

I Europa förvaras omkring 70 procent av alla livsmedel i dag i ett kylskåp eller en frys. I andra delar av världen, där man har äldre kylskåp och frysar, kan förbättringen bli ännu större.

En annan fördel med de elastokaloriska materialen är att de inte kräver växthusgaser i kylcykeln. Dessutom kommer de elastokaloriska kylskåpen inte att låta och vibrera lika mycket som vanliga kylskåp.

Forskarna behöver dock fortfarande lösa flera utmaningar innan vi kan beställa ett elastokaloriskt kylskåp på nätet.

Temperaturen behöver överstiga 35 grader

I tidiga prototyper från exempelvis danska DTU tålde materialet bara 6 000–7 000 tryckförändrande cykler.

Sedan dess har materialet förbättrats, så att det tål omkring 100 000 cykler.

Elastokaloriska kylskåp kommer att låta och vibrera mindre än vanliga kylskåp.

Forskarna säger nu att det inte är något tekniskt problem att nå upp till en miljon eller till och med tio miljoner cykler, vilket är den storleksordning materialen behöver kunna klara för att vara kommersiellt användbara.

En annan utmaning är temperaturskillnaden, som forskarna kallar delta T, där det nuvarande rekordet är 31,5 grader Celsius.

Temperaturskillnaden bör överstiga 35 grader för att bli användbar i ett kylskåp.

Andra forskare arbetar med en alternativ lösning, så kallade barokaloriska material, där det inte är ett mekaniskt tryck, utan förändringar i lufttrycket som åstadkommer temperaturvariationen.

En forskargrupp från Spanien, Frankrike och Storbritannien har redan lyckats förändra entropin i materialet i en grad som kan jämföras med den från moderna kylskåp.

Därmed finns det hopp om att framtidens kylskåp både kan ersätta miljöbelastande växthusgaser med komprimerade metallegeringar och göra kylningen av livsmedel mer klimatvänlig.