Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Τμήματος Ενέργειας (ORNL), σε συνεργασία με το The Ohio State University και την Amphenol Corporation, ανακάλυψαν έναν εκπληκτικό νέο τρόπο ελέγχου του τρόπου με τον οποίο η θερμότητα κινείται μέσω των στερεών. Τα ευρήματά τους αμφισβητούν μακροχρόνιες υποθέσεις σχετικά με τη μεταφορά θερμότητας και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποτελεσματικά συστήματα ψύξης, ενεργειακές συσκευές και ηλεκτρονικές τεχνολογίες.
Δημοσιεύτηκε στο PRX EnergyΗ έρευνα έχει δείξει ότι η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου σε ένα συγκεκριμένο κεραμικό αλλάζει τη συμπεριφορά των φωνονίων, των μικροσκοπικών ατομικών δονήσεων που είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά θερμότητας. Όταν τα άτομα δονούνται προς την ίδια κατεύθυνση με το ηλεκτρικό πεδίο (κατεύθυνση πόλων), αυτά τα φωνόνια διαρκούν πολύ περισσότερο από τις δονήσεις. Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα ταξιδεύει περίπου τρεις φορές πιο αποτελεσματικά κατά μήκος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου από ό,τι σε άλλες κατευθύνσεις.
«Το να μπορούμε να ελέγχουμε πόσο γρήγορα και με ποιον τρόπο οι ροές θερμότητας μπορούν να επιτρέψουν στις συσκευές να χειρίζονται τη θερμική ενέργεια πολύ πιο αποτελεσματικά», δήλωσε ο Puspa Upreti, μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης του ORNL.
Γιατί έχει σημασία ο έλεγχος της θερμότητας
Η ικανότητα αποτελεσματικής διαχείρισης της θερμότητας είναι απαραίτητη για πολλές προηγμένες τεχνολογίες. Αυτά περιλαμβάνουν ηλεκτρονικά συστήματα ψύξης στερεάς κατάστασης που δεν έχουν κινούμενα μέρη, συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια, ηλεκτρονικά που βασίζονται σε τσιπ και συστήματα συμπαραγωγής που συλλαμβάνουν και επαναχρησιμοποιούν την απορριπτόμενη θερμότητα από βιομηχανικές διεργασίες.
Ο καλύτερος έλεγχος της μεταφοράς θερμότητας μπορεί να βελτιώσει τόσο την απόδοση όσο και την ενεργειακή απόδοση. Η ιδέα απεικονίζεται από τον κύκλο Carnot, ένα εξιδανικευμένο μοντέλο που ορίζει τη μέγιστη θεωρητική απόδοση μιας θερμικής μηχανής ελέγχοντας προσεκτικά την κίνηση της θερμότητας μεταξύ θερμών και ψυχρών περιοχών.
Στη νέα μελέτη, το ηλεκτρικό πεδίο μείωσε τα εμπόδια που συνήθως παρεμβαίνουν στην κίνηση των φωνονίων. Αυτό επιτρέπει στους κραδασμούς που μεταφέρουν θερμότητα να ταξιδεύουν μακρύτερα μέσα από το υλικό, όπως μια κυκλοφοριακή συμφόρηση σε πολυσύχναστο αυτοκινητόδρομο, οδηγώντας σε πολύ πιο αποτελεσματική αγωγή θερμότητας προς το ηλεκτρικό πεδίο.
Τα πειράματα νετρονίων αποκαλύπτουν την πυρηνική κίνηση
Για να κατανοήσει ακριβώς τι συμβαίνει μέσα στο υλικό, η ομάδα διεξήγαγε πειράματα στην Πηγή Νετρονίων Spallation, μια Εγκατάσταση Χρηστών του Γραφείου Επιστήμης του DOE που λειτουργεί από την ORNL.
Χρησιμοποιώντας προηγμένες ελαστικές τεχνικές σκέδασης νετρονίων, οι ερευνητές παρατήρησαν τις θέσεις των ατόμων μέσα στον κρύσταλλο και τον τρόπο με τον οποίο κινήθηκαν αυτά τα άτομα. Τα νετρόνια ταιριάζουν μοναδικά σε αυτό το είδος ανάλυσης επειδή μπορούν να αποκαλύψουν τόσο τη δομή ενός στοιχείου όσο και την πυρηνική του δυναμική, με βάση μεθόδους που αναγνωρίζονται από το βραβευμένο με Νόμπελ εργασία των Clifford Schall και Bertram Brockhaus.
Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου όχι μόνο αύξησε την ταχύτητα των φωνονίων αλλά επίσης επέκτεινε σημαντικά το χρόνο ζωής τους πριν από τη διασπορά. Ένας βασικός λόγος για αυτή τη μεγάλη διάρκεια ζωής είναι ότι το υλικό γίνεται πολύ καλύτερο στην αγωγή της θερμότητας.
Ένα κεραμικό με εξαιρετική μεταφορά θερμότητας
Οι ερευνητές εστίασαν σε μια κατηγορία κεραμικών γνωστών ως σιδηροηλεκτρικά που βασίζονται στη χαλάρωση. Όταν εκτίθενται σε ηλεκτρικό πεδίο, μικροσκοπικά ηλεκτρικά φορτία ευθυγραμμίζονται μεταξύ αυτών των στοιχείων. Αυτή η ευθυγράμμιση μειώνει τη διασπορά των φωνονίων που μεταφέρουν θερμότητα, επιτρέποντας στη θερμική ενέργεια να κινείται πιο αποτελεσματικά μέσα στον κρύσταλλο.
Οι κρύσταλλοι που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα αναπτύχθηκαν προσεκτικά και στη συνέχεια εκτέθηκαν σε ηλεκτρικό πεδίο, ή «πόλο», από τον Rafi Sahul της Amphenol Corporation. Τα υλικά που προέκυψαν παρουσίασαν εξαιρετικά ελεγχόμενη μεταφορά θερμότητας.
Ο ανώτερος ερευνητής του ORNL, Michael Manley, ηγήθηκε των πειραμάτων σκέδασης ανελαστικών νετρονίων μαζί με το ανώτερο μέλος του προσωπικού Ε&Α του ORNL, Raphael Herrmann.
“Προηγούμενες εργασίες σε χύμα σιδηροηλεκτρικά υλικά πέτυχαν μέτριες βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα από 5% έως 10%, ενώ οι νέες μετρήσεις αποκαλύπτουν βελτίωση κοντά στο 300% — κυρίως επειδή τα φωνόνια μπορούν να ταξιδέψουν πολύ περισσότερο πριν σταματήσουν”, είπε ο Manley.
Η τριπλάσια αύξηση εξέπληξε τους ερευνητές
Συνδυάζοντας μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας με δεδομένα σκέδασης νετρονίων, η ομάδα μπόρεσε να συνδέσει άμεσα τη δραματική αύξηση της ροής θερμότητας με τις αλλαγές στις ατομικές δονήσεις μέσα στον κρύσταλλο.
Ο αείμνηστος καθηγητής της Πολιτείας του Οχάιο Joseph Herremans σχεδίασε το πείραμα θερμικής αγωγιμότητας και καθοδήγησε τον υποψήφιο διδάκτορα Delaram Rashadfar στην ανάλυση.
«Αν και η προηγούμενη εργασία μας οδήγησε να περιμένουμε μόνο ένα μέτριο αποτέλεσμα, η παρατήρηση μιας τριπλής διαφοράς αποδείχθηκε σημαντικό αποτέλεσμα», είπε ο Rashadfar. «Ο καθηγητής Herremans πάντα τόνιζε τη σημασία του να εμπιστευόμαστε πρώτα τα δεδομένα και να ακολουθούμε τη θεωρία».
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Πρόγραμμα Βασικών Ενεργειακών Επιστημών του DOE με επιπλέον συνεισφέροντες εταίρους.
