Elastocalorisch gekoeld tot -12°C

Onderzoekers hebben een elastocalorisch koelapparaat ontwikkeld dat temperaturen onder nul bereikt, zonder gebruik van conventionele koelmiddelen. Deze technologie biedt een mogelijke route naar koelkasten en vriezers die niet afhankelijk zijn van schadelijke gassen zoals HFK’s (hydrofluorkoolstoffen).

Elastocalorische systemen benutten de thermische effecten van faseveranderingen in legeringen met vormgeheugen (SMAs) — metalen die warmte afgeven wanneer ze mechanisch worden samengedrukt en warmte opnemen wanneer ze worden ontspannen. Dit principe maakt het mogelijk om warmte van een koude naar een warme bron te verplaatsen zonder gasfase-koelmiddelen zoals bij traditionele compressiekoeling.

In het nieuwe prototype gebruikt het team van Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) een nikkel-titanium (NiTi) SMA-legering met een lager transitiepunt. Door deze samenstelling behoudt het materiaal zijn elastocalorische eigenschappen bij temperaturen rond ‑20 °C.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.

Resultaten van het prototype

Het ‘desktopmodel’ van het onderzoeksteam kon een temperatuur van ‑12 °C bereiken in een omgevings van 24 °C — een temperatuursprong van ongeveer 36 °C. Binnen twee uur bevroren kleine hoeveelheden water tot ijs, een prestatie vergelijkbaar met die van een conventionele vriezer.

Het systeem maakt gebruik van een regenerator met meerdere dunne NiTi-buizen in serie, gecombineerd met een zoutoplossing als warmteoverdrachtsmedium dat blijft vloeien bij lage temperaturen. De mechanische compressie en ontspanning wordt verzorgd door een lineaire actuator die het materiaal herhaaldelijk belast en ontlast om het elastocalorische effect te activeren.

Volgende stappen

De demonstrator levert een belangrijke proof-of-concept. De technische uitdagingen voor grootschalige toepassing:

• Energie-efficiëntie: de huidige efficiëntie ligt nog onder die van traditionele koel- en vriesapparatuur, vooral door verliezen in de aandrijving van de actuator.
• Materialen en productie: de NiTi-structuren worden nu met precieze, maar dure processen gemaakt; kosteneffectieve alternatieven zijn nodig voor massaproductie.
• Temperatuurbereik: het team wil doorgroeien naar nog lagere temperaturen, wat andere legeringen en systeemontwerpen vereist.

De onderzoekers verwachten dat het nog 2–3 jaar kan duren voordat een commercieel product haalbaar is, met mogelijke vroege toepassingen in mobiele koel- en vriesoplossingen, transport en klimaatbeheersing voor elektrische voertuigen.

Onderzoeksleider Qingping Sun: “We ontwikkelen nieuwe aandrijftechnologie als onderdeel van ons werk aan systeemintegratie en optimalisatie. Het team heeft ook als doel om lagere temperaturen te bereiken, tot -100 °C, wat andere legeringen vereist. En tot slot worden de dunwandige buisstructuren momenteel gemaakt met een precies, maar zeer duur productieproces. Daarom onderzoeken we alternatieven, waaronder 3D-printen, om materiaalverspilling en productiekosten te verminderen.”