Pak eens een elastiekje en trek het zo ver uit als je kunt.
Als je het snel genoeg doet, is het elastiekje warmer dan toen het in je handpalm lag. Als je het elastiekje loslaat, koelt het weer af tot de oorspronkelijke temperatuur.
Dit is een voorbeeld van het elastocalorische effect dat onderzoekers willen gebruiken. Nieuwe soorten materialen worden blootgesteld aan mechanische spanningen – zoals samenpersen of uittrekken – en kunnen van temperatuur veranderen met wel 30 °C.
De laatste jaren zijn onderzoekers uit China, de VS en Spanje erin geslaagd een temperatuurverschil van 31,5 °C te creëren in een materiaal op basis van nikkel en mangaan.
Als natuurkundigen het temperatuurverschil nog verder kunnen opvoeren en een aantal technische uitdagingen weten op te lossen, kunnen elastocalorische materialen gebruikt worden om de groene koelkasten, warmtepompen en airconditioners van de toekomst te maken.
Rubbermoleculen worden gerangschikt
Het opwarmen en afkoelen van het elastiekje zoals beschreven mag vreemd lijken, maar achter de temperatuurschommelingen zitten goed gedocumenteerde natuurkundige principes uit de wereld van de thermodynamica.
Door materialen uit te rekken of samen te persen kan hun temperatuur meer dan 30 °C veranderen.
De thermodynamica beschrijft hoe warmte, druk en energie elkaar in materialen beïnvloeden en met elkaar in wisselwerking staan.
Een van de pioniers was de Franse natuurkundige Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), die de thermodynamica onder andere toepaste voor een theorie van de meest efficiënte motor. Carnots ontdekkingen werden gebruikt om de prestaties van de stoommachine te verbeteren.
In een motor wordt energie in de vorm van warmte omgezet in mechanische energie in een zuiger die de wielen via assen laat draaien en de trein laat rijden.
Als we terugkeren naar het elastiekje, gebeurt het omgekeerde: de mechanische beweging van het rubber wekt de warmte op.
De verklaring is te vinden in entropie, een verschijnsel waarin de mate van wanorde van de moleculen in een materiaal tot uitdrukking komt.
De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de mate van entropie in een glas water bijvoorbeeld altijd constant blijft of toeneemt. Met andere woorden, een systeem wordt wanordelijker dan het was als het van toestand verandert – zoals ijs dat smelt.
Druk en temperatuur veranderen de vorm
Entropie is een begrip uit de thermodynamica en verwijst naar de toestand van een materiaal. Die toestand wordt bepaald door druk, temperatuur en volume.
Smeltend ijs vergroot entropie
Smeltend ijs in een glas water, suiker die oplost in een kop koffie – dat zijn voorbeelden van entropie. Het glas met ijs geeft kou af (entropie neemt toe) tot het glas op kamertemperatuur is en het ijs gesmolten is.
Moleculen komen in chaos
Het ijs en de suiker gaan van orde naar wanorde, van moleculen in een geordende structuur naar chaotische structuren. Dit proces kennen we ook als de tweede wet van de thermodynamica.
Als we terugkeren naar het elastiekje, zal de entropie afnemen en het elastiekje afkoelen als het uitgerekt wordt, maar om het totale niveau van entropie te handhaven, moet de entropie elders in het systeem navenant toenemen. Een ander deel van het elastiekje wordt dus warmer.
Metalen veranderen van kristalstructuur
Maar wat heeft dit te maken met de koelkasten van de toekomst? Natuurkundigen gebruiken in het lab geen elastiekjes als ze werken aan de ontwikkeling van efficiënte en duurzame elastocalorische materialen – ze werken met zogeheten shape memory alloys.
Dit zijn legeringen van metalen, zoals nikkel, mangaan en titaan, die, wanneer er een kracht op uitgeoefend wordt in de vorm van mechanisch drukken of trekken, van temperatuur kunnen veranderen door het elastocalorische effect.
Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet en varmepumpe, hvor et elastokalorisk materiale skiftevis afgiver varme (røret nederst til højre) og kulde (røret øverst til højre).
Shape memory alloys of ‘vormgeheugenlegeringen’ heten zo omdat ze zich hun oorspronkelijke moleculaire toestand kunnen ‘herinneren’ wanneer de druk of spanning weer wegvalt.
Metalen veranderen van kristalstructuur als ze bijvoorbeeld aan druk worden blootgesteld. Natuurkundigen spreken van een overgang van een austenitische structuur, waarbij de moleculen in een kubisch rooster zitten, naar een martensitische structuur, die de vorm heeft van een ruit of een diamant.
Tijdens de overgang tussen de twee toestanden warmen de legeringen op. Een vloeistof die erlangs loopt, neemt de warmte op en vervoert die door het systeem.
Dan wordt de druk weggenomen en koelt de legering weer af – maar die is nu nog kouder dan ze was, en dit proces kan gebruikt worden om bijvoorbeeld ons voedsel af te koelen.
Technologie verbetert koelkasten
In een gewone koelkast pompt een compressor broeikasgas rond in een circuit. Onderweg verandert het van vloeibaar in gas, wat kou creëert.
In moderne koelkasten is dat proces sterk verbeterd, maar er is nog een lange weg te gaan om maximale prestaties te bereiken. Het proces levert nu zo’n 20 procent van het maximaal haalbare voor koelkasten.
Materialen persen kou de koelkast in
Als een elastocalorisch materiaal wordt samengeperst en weer losgelaten, ontstaat een koelcyclus die die van moderne koelkasten kan vervangen.
1. Druk verwarmt materiaal
Een zuiger drukt van buitenaf tegen een elastocalorisch metaal. Er komt chaos in de structuur van het materiaal, dat van vorm verandert. Zo komt er warmte de kamer in, en door de warmte zet een gas rond het materiaal uit.
2. Vloeistof stroomt verder
Rechts van de drukkamer gaat een ventiel open, waardoor het gas maar in één richting verder kan stromen. Zo loopt het uitgezette gas verder het systeem in om de druk overal weer gelijk te maken.
3. Materiaal koelt weer
De zuiger wordt nu weer uitgetrokken en de kamer koelt af. De druk neemt af en zo koelt ook het elastocalorische materiaal in de kamer af. De kamer wordt koud omdat de moleculen weer een geordende structuur krijgen en de entropie dus afneemt.
4. Kou komt naar buiten
De druk daalt tot een lager niveau dan in de vorige kamer. Het ventiel links in het systeem gaat nu open en het koude gas kan de naburige kamer weer laten afkoelen, waarna het proces opnieuw begint.
Met elastocalorische materialen hopen de onderzoekers het koelrendement van een koelkast met 10-20 procent te verbeteren ten opzichte van de allerbeste koelkasten die nu op de markt zijn.
Dit kan een grote invloed hebben op het elektriciteitsverbruik wereldwijd, want koelkasten, airco’s en warmtepompen nemen 25-30 procent van het totaal voor hun rekening.
In Europa wordt circa 70 procent van alle voedsel gekoeld of ingevroren, en elders in de wereld waar koelkasten en diepvriezers ouder zijn, kan de verbetering nog groter zijn.
Een ander voordeel van elastocalorische materialen is dat ze geen broeikasgassen nodig hebben in de koelcyclus. Bovendien trillen ze niet als gewone koelkasten en zijn ze dus geruislozer.
Maar er zijn nog hobbels te nemen voor we een elastocalorische koelkast online kunnen bestellen.
Temperatuur moet hoger zijn dan 35 °C
In vroege prototypes was het materiaal slechts bestand tegen 6000-7000 cycli waarbij het aan druk werd blootgesteld.
Sindsdien is het materiaal verbeterd en gaat het ongeveer 100.000 cycli mee.
Elastocalorische koelkasten trillen niet als gewone koelkasten, en zijn dus geruislozer.
Daarna zal het geen technisch probleem meer zijn om 1 miljoen of zelfs 10 miljoen cycli te halen, wat de materialen moeten aankunnen om bruikbaar te zijn.
Een andere uitdaging is het temperatuurverschil, delta T genoemd – het record staat nu op 31,5 °C.
Het temperatuurverschil moet boven de 35 °C zijn om geschikt te zijn voor toepassing in een koelkast.
Andere onderzoekers werken aan een alternatieve oplossing, barocalorische materialen genaamd, waarbij het temperatuurverschil niet door de mechanische druk maar door veranderingen in de luchtdruk ontstaat.
Een team van onderzoekers uit Spanje, Frankrijk en Groot-Brittannië is er al in geslaagd de entropie van het materiaal zozeer te veranderen dat deze vergelijkbaar is met die van moderne koelkasten.
Dit wekt de hoop dat in toekomstige koelkasten milieubelastende broeikasgassen kunnen worden vervangen door samengeperste metaallegeringen en dat voedsel klimaatvriendelijker gekoeld kan worden.