O echipă de ingineri din Hong Kong a elaborat un nou aliaj care poate oferi un randament de 20 ori mai mare pentru pompe de căldură şi aparate de aer condiţionat

Pompele de căldură şi aparatele de aer condiţionat funcţionează pe baza acelor principii termodinamice, folosind proprietăţile refrigerenţilor pentru a încălzi sau răci mediul final dorit. Principiul de bază e că refrigerentul trece din stare lichidă în gazoasă, apoi acesta e comprimat cu un compresor, iar fizica ne spune că un gaz comprimat îşi creşte temperatura. Apoi, acel gaz fierbinte îşi degajă căldura în mediul final, iar o valvă de expansiune îi reduce brusc presiunea, făcându-l să se răcească. Refrigerentul lichid urmează apoi un nou ciclu, iar la un aer condiţionat circuitul logic ar fi unul invers. Aceste pompe de căldură pot atinge un randament foarte bun, folosind electricitate pentru a produce efectul termic dorit. Dar în ultimii ani se munceşte la un nou tip de pompe de căldură şi aparate cu aer condiţionat, care n-ar mai folosi refrigerent, ci doar materiale solide, ele fiind numite „cu stare solidă”. Doar că deocamdată acestea au doar un randament teoretic mult mai mare decât pompele actuale, în timp ce prototipurile şi primele încercări dau un coeficient maxim egal cu cel al pompelor de căldură obişnuite. Totuşi, acum o echipă de ingineri din Hong Kong a elaborat un nou aliaj, despre care spune că poate oferi un randament de 20 ori mai mare.

Foto: Principiul de funcţionare a unei pompe de căldură aer-apă obişnuite, răspândită în prezent

Acum trei luni, scriam despre o echipă de ingineri germani, care a creat o nouă tehnologie de climatizare, ce înlocuieşte aerul condiţionat şi pompele de căldură fără a folosi refrigerent. Acea echipă folosea principiul elastocaloric, care spune că materialele îşi schimbă temperatura lor ca răspuns la stresul mecanic aplicat lor, de tensionare sau comprimare. Unele materiale îşi schimbă temperatura mai mult ca altele, dar de obicei principiul e acelaşi — la tensionare, sau întindere, spre exemplu, un material devine fierbinte, iar la detensionare acel material îşi scade brusc temperatura. Respectiv, acest efect poate fi folosit pentru a capta fie căldura, fie acel efect de rece generat de un asemenea sistem, iar întregul dispozitiv ar trebui doar să tensioneze şi să detensioneze mecanic acest material, eventual sub forma unor fire, preluând căldura sau recele din punctul dorit şi transmiţând-o mediului final, fără a folosi refrigerent.

Marea provocare e în calităţile acestui material, astfel încât el să poată genera o diferenţă cât mai mare de temperatură cu un efort mecanic cât mai mic. Teoretic, partea cea mai eficientă ar fi zona de elasticitate uşoară, cu efort minim, dar în acest diapazon cele mai multe materiale denotă maxim 0,2 grade diferenţă. Deci ar trebui o multitudine de etape pentru a asigura o diferenţă de 30 grade, spre exemplu.

Şi atunci se merge de obicei la materialele „cu memorie”, care admit un grad mai mare de elasticitate cu forţă mai mare aplicată, dar pot reveni la forma iniţială. Asta au făcut şi germanii despre care scriam acum 3 luni, găsind un aliaj pe nume nitinol, format din nichel şi titan. În cazul lor, randamentul bun a fost obţinut până a o diferenţă de 20 de grade a temperaturii, iar dacă se doreşte mai mult, e nevoie de realizat două trepte succesive. Germanii spuneau că într-un regim de operare la un singur nivel, tehnologia lor ar ajunge la un COP de 5,0-6,0 în regim de încălzire, iar în regim e aer condiţional, ea ar fi de 5 ori mai eficientă decât aparatele cu aer condiţionat moderne.

Foto: Echipa de ingineri germani

Ei bine, echipa de ingineri din Hong Kong despre care vorbim azi foloseşte acelaşi principiu elastocaloric, doar că ea pretinde că a elaborat un nou aliaj, care-i permite sistemului să genereze o diferenţă de 4-5 grade în zona aia de efort minim, în loc de 0,2 grade. Prin urmare, sistemul ar fi de 20 de ori mai eficient, prin comparaţie.

Foto: Echipa de ingineri din Honk Kong

Aliajul elaborat are formula chimică de Ti78Nb22, fiind format din titan şi niobiu. Niobiul e cunoscut ca un metal de tranziţie, moale, fiind folosit până acum ca element de fortificare a oţelului, într-un raport extrem de mic, dar şi la construcţia superconductorilor. Inginerii din Hong Kong spun că anume acest aliaje permite un efect elastocaloric de un randament excepţional.

Ei bine, 4-5 grade diferenţă poate suna ca o diferenţă mică pentru un aparat cu aer condiţionat sau o pompă de căldură. Dar inginerii spun că se poate merge pe două căi — fie se aplică mai multă energie prin forţa de tensionare şi se obţine diferenţa mai mare de temperatură dorită, fie se operează succesiv, de 4-5 ori sau mai mult, pentru a asigura 20-25 grade diferenţă sau mai mult. Ideea e că energia necesară în acea zonă de efort minim e mult mai mică, de zeci de ori mai mică, decât energia necesară tensionării spre limită a materialelor, iar astfel poate fi mai eficientă să se treacă prin 4-5 etape cu consum minim de energie ca să se cumuleze diferenţa dorită de temperatură, decât să se realizeze o singură etapă şi cu consum de energie care n-ar fi de 5 ori mai mare, ci de 20-30 de ori mai mare în raport cu acea etapă iniţială aproape inertă.

Inginerii din Hong Kong spun că un sistem bazat pe aliajul lor are şansa să atingă 90% din limita teoretică Carnot, considerată a fi idealul de 100% teoretic al oricăror asemenea sisteme termodinamice. Asta s-ar traduce într-un COP de circa 9,2 la o pompă de căldură, spre exemplu, ceea ce, dacă ar fi să comparăm direct în COP, ar fi de circa 2,5-3 ori mai eficient decât o pompă de căldură cu refrigerent.

Iar asta ar însemna că pentru a produce 1 MWh de căldură — suficient pentru a încălzi 100 m2 locativi timp de 1 lună, la o temperatură medie de +5 grade Celsius afară — o pompă de căldură cu noul aliaj ar trebui să consume în acea lună doar 109 kWh de electricitate. Ar fi o eficienţă excepţional de bună, bineînţeles, cu mult mai mare decât pompele de căldură actuale.

Dar, de aici încolo aceste calităţi ale aliajului trebuie transpuse în prototipuri construite cu adevărat, care să demonstreze că pot păstra acest randament impresionant şi în viaţa reală. Cert e că tot mai multe echipe de ingineri muncesc în direcţia acestor tehnologii fără refrigerent, motivate de faptul că refrigerenţii sunt consideraţi drept surse riscante de poluare şi se încurajează excluderea lor pe viitor.