Mokslininkai iš Džonso Hopkinso taikomosios fizikos laboratorijos sukūrė naują kietojo kūno termoelektrinę šaldymo sistemą, kuri yra paprasta gaminti ir dukart efektyvesnė nei dabartinės technologijos. Šis proveržis gali iš esmės pakeisti ne tik šaldymo, bet ir energijos surinkimo sprendimus.
Tyrėjai kartu su „Samsung Research“ inžinieriais pademonstravo ženkliai geresnį šilumos perdavimo efektyvumą bei vėsinimo galią. Visa tai įmanoma dėl naujos kartos nano-inžinerinių termoelektrinių medžiagų, žinomų kaip „CHESS“ plėvelės.
Ši platforma yra dešimtmetį trukusių tyrimų rezultatas. Iš pradžių ji buvo kuriama saugumo tikslams, tačiau vėliau pritaikyta ir medicinoje, pavyzdžiui, neinvazinio protezų vėsinimo sprendimuose. 2023 metais ši technologija pelnė prestižinį „R&D 100“ apdovanojimą.
Naujas standartas kietojo kūno šaldymui
Tradiciniai šaldymo metodai yra patikimi, tačiau jie užima daug vietos, reikalauja didelių energijos sąnaudų ir remiasi cheminiais šaltnešiais, galinčiais kenkti aplinkai. Tuo tarpu termoelektrinis šaldymas šilumą perkelia naudodamas elektronus specialiose puslaidininkinėse medžiagose. Tai leidžia sukurti kompaktiškus, patikimus ir aplinkai draugiškus įrenginius.
Nors masyvinės termoelektrinės medžiagos jau naudojamos mažiems prietaisams, jų ribotas efektyvumas ir sudėtinga gamyba trukdė taikyti didesnėms sistemoms. „CHESS“ plėvelės pakeitė žaidimo taisykles, tai jų dėka efektyvumas pagerėjo net 70 proc. pilnai integruotoje šaldymo sistemoje, o medžiagos lygmenyje beveik 100 proc.
Bandymus atliko „Samsung Research“ komanda, patvirtindama rezultatus realiomis sąlygomis ir modeliuodama šilumos apkrovas. Tai suteikia tvirtą pagrindą technologijai pereiti iš laboratorijos į rinką.
Maža medžiaga, didelis poveikis
Viena iš didžiausių „CHESS“ plėvelių naujovių, tai itin mažas medžiagos poreikis. Vienam šaldymo vienetui tereikia tiek, kiek užima smėlio grūdelis. Tai reiškia, kad gamyba gali būti vykdoma naudojant puslaidininkių pramonėje jau taikomas priemones, o tai užtikrina mastelio didinimą ir mažesnę kainą.
Medžiaga gaminama naudojant metalorganinį cheminio garų nusodinimo metodą, plačiai taikomą saulės elementų bei LED gamyboje. Tai užtikrina, kad „CHESS“ gamyba gali būti išplėsta be papildomų sudėtingų procesų.
Pasak projekto vadovo R. Venkatasubramaniano, ši technologija gali būti pritaikyta nuo mažų šaldytuvų iki didelių pastatų oro kondicionavimo sistemų, panašiai kaip ličio jonų baterijos, tai nuo telefonų iki elektromobilių.
Plačios ateities perspektyvos
Be šaldymo, „CHESS“ plėvelės gali konvertuoti temperatūrų skirtumus į elektrą, pavyzdžiui, panaudojant žmogaus kūno šilumą. Tai gali būti taikoma protezuose, jutikliuose, kompiuteriuose ar net kosminiuose aparatuose.
Mokslininkai toliau tobulins šią technologiją, siekdami dar labiau priartinti jos efektyvumą prie mechaninių sistemų lygio. Numatyti bandymai su didesnio masto šaldymo sprendimais, taip pat dirbtinio intelekto panaudojimas energijos sąnaudoms optimizuoti.
Kaip teigia tyrimų komandos nariai, šis pasiekimas parodo, kad itin efektyvus kietojo kūno šaldymas yra ne tik įmanomas teoriškai, bet ir gaminamas realiai. Tai gali būti pradžia naujos, tylesnės, efektyvesnės ir tvaresnės šaldymo technologijų eros.
