ארה"ב: חוקרים בארה"ב טוענים כי פיתחו טכנולוגיית קירור תרמו-אלקטרית במצב מוצק הניתנת לייצור בקלות, שהיא יעילה פי שניים ממכשירים דומים.
התקדמות זו, המשתמשת בחומרים מהונדסים ננו-טכנולוגיה, מציעה, ככל הנראה, אלטרנטיבה ניתנת להרחבה לקירור מסורתי מבוסס מדחס.
במאמר שפורסם ב- Nature Communications , צוות חוקרים ממעבדת הפיזיקה היישומית של ג'ונס הופקינס (APL) בלורל, מרילנד, ומהנדסי קירור מסמסונג ריסרץ', הדגימו שיפור ביעילות וקיבולת שאיבת חום במערכות קירור.
היעילות המוגברת מיוחסת לחומרים תרמואלקטריים ננו-מהונדסים בעלי ביצועים גבוהים שהומצאו ב-APL, הידועים כמבני-סירג מהונדסים היררכית מבוקרים (CHESS).
פרסום
טכנולוגיית CHESS היא תוצאה של 10 שנות מחקר APL בחומרים תרמואלקטריים ננו-מהונדסים מתקדמים ופיתוח יישומים. החומר, שפותח בתחילה עבור יישומים ביטחוניים לאומיים, שימש גם לטיפולי קירור לא פולשניים עבור תותבות וזכה בפרס R&D 100 בשנת 2023.
"הדגמה זו של קירור בעולם האמיתי באמצעות חומרים תרמואלקטריים חדשים מציגה את היכולות של שכבות דקות CHESS מהונדסות ננומטרית", אמרה רמה ונקטסוברמניאן, החוקרת הראשית של הפרויקט המשותף והטכנולוגית הראשית לתרמואלקטריקה ב-APL. "זה מסמן קפיצת מדרגה משמעותית בטכנולוגיית הקירור ומכשיר את הבמה לתרגום ההתקדמות בחומרים תרמואלקטריים ליישומי קירור מעשיים, בקנה מידה גדול ויעילים באנרגיה."
קירור תרמו-אלקטרי מקרר באמצעות אלקטרונים להעברת חום דרך חומרים מוליכים למחצה ייעודיים, ובכך מבטל את הצורך בחלקים נעים או נוזלי קירור.
חומרים תרמו-אלקטריים בכמויות גדולות משמשים במכשירים קטנים כמו מיני-מקררים, אך יעילותם המוגבלת, קיבולת שאיבת החום הנמוכה וחוסר התאימות שלהם עם ייצור שבבי מוליכים למחצה ניתנים להרחבה מנעו היסטורית את השימוש הנרחב שלהם במערכות בעלות ביצועים גבוהים.
במחקר, החוקרים השוו מודולי קירור המשתמשים בחומרים תרמו-אלקטריים מסורתיים בכמות גדולה עם אלו המשתמשים בחומרי שכבה דקה של CHESS בבדיקות קירור סטנדרטיות, תוך מדידה והשוואה של ההספק החשמלי הדרוש להשגת רמות קירור שונות באותן מערכות בדיקה מסחריות של מקררים.
צוות הקירור מצוות Life Solution Team של Samsung Research שיתף פעולה עם APL כדי לאמת את התוצאות באמצעות מידול תרמי מפורט, כימות עומסי חום ופרמטרי התנגדות תרמית כדי להבטיח הערכת ביצועים מדויקת בתנאים אמיתיים.
פרסום
באמצעות חומרי CHESS, צוות APL השיג, על פי הדיווחים, שיפור של כמעט 100% ביעילות בהשוואה לחומרים תרמואלקטריים מסורתיים בטמפרטורת החדר (בסביבות 25 מעלות צלזיוס). לאחר מכן הם תרגמו את הרווחים הללו ברמת החומר לשיפור של כמעט 75% ביעילות ברמת המכשיר במודולים תרמואלקטריים שנבנו מחומרי CHESS ושיפור של 70% ביעילות במערכת קירור משולבת במלואה, שכל אחד מהם מייצג שיפור משמעותי בהשוואה למכשירים תרמואלקטריים בתפזורת חדישים. בדיקות אלו בוצעו בתנאים שכללו כמויות משמעותיות של שאיבת חום כדי לשכפל את הפעולה המעשית.
בנוי לפי קנה מידה
מעבר לשיפור היעילות, טכנולוגיית השכבה הדקה של CHESS משתמשת בפחות חומר באופן משמעותי – רק 0.003 סמ"ק, או בערך בגודל של גרגר חול, לכל יחידת קירור. הפחתה זו בחומר פירושה שניתן יהיה לייצר המוני את החומרים התרמואלקטריים של APL באמצעות כלי ייצור שבבי מוליכים למחצה, מה שיביא ליעילות עלויות ויאפשר אימוץ נרחב בשוק.
"לטכנולוגיית שכבה דקה זו יש פוטנציאל לצמוח מהפעלת מערכות קירור בקנה מידה קטן לתמיכה ביישומי HVAC בבניינים גדולים, בדומה לאופן שבו סוללות ליתיום-יון שודרגו להפעלת מכשירים קטנים כמו טלפונים ניידים וגדולים כמו כלי רכב חשמליים", אמר ונקטסוברמניאן.
חומרים ומכשירים אלה ממשיכים להראות מבטיחים עבור מגוון רחב של יישומים של קצירת אנרגיה ואלקטרוניקה, בנוסף להתקדמות האחרונה בתחום הקירור. APL מתכננת להמשיך לשתף פעולה עם ארגונים כדי לשפר את החומרים התרמואלקטריים של CHESS תוך התמקדות בהגברת היעילות כך שתתקרב לזו של מערכות מכניות קונבנציונליות. מאמצים עתידיים כוללים הדגמת מערכות קירור בקנה מידה גדול יותר, כולל מקפיאים, ושילוב שיטות המונעות על ידי בינה מלאכותית כדי לייעל את יעילות האנרגיה בקירור מדורג או מבוזר בציוד HVACR.
