Isıyı kullanarak soğutma yapmak ilk bakışta kulağa oldukça ters geliyor. Ancak Almanya'daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ve Japonya'daki Tsukuba Üniversitesi'nden bilim insanları, tam olarak bunu gerçekleştiren deneysel bir sistem geliştirdi. Araştırmacılar, bir malzemenin ısıyı mekanik harekete, başka bir malzemenin ise bu hareketi soğutmaya dönüştürmesini sağladı.
Elastokalorik soğutma yöntemini temel alıyor Çalışmanın temelinde elastokalorik soğutma adı verilen bir yöntem bulunuyor. Geleneksel buzdolapları ve klimalarda soğutma işlemi elektrikle çalışan kompresörler ve soğutucu akışkanlar üzerinden gerçekleştirilirken, elastokalorik sistemlerde mekanik olarak gerilen veya sıkıştırılan özel malzemelerin sıcaklık değişiminden yararlanılıyor. Araştırmacılar bunun için şekil hafızalı alaşımlardan faydalandı.
Bu malzemeler gerildiğinde veya sıkıştırıldığında kristal yapılarında değişim meydana geliyor. Malzeme üzerindeki mekanik yük kaldırıldığında ise yapı tersine dönüyor ve bu süreçte ısı emilimi gerçekleşiyor. Böylece malzeme, katı hâlde çalışan bir soğutucu görevi üstlenebiliyor.
Ancak bu yöntemin önemli bir problemi bulunuyor: Alaşımın sürekli olarak gerilip serbest bırakılması gerekiyor. Mevcut elastokalorik soğutma sistemlerinde bu işi genellikle elektrik motorları veya hidrolik aktüatörler gerçekleştiriyor. Bu nedenle sistemde soğutucu malzeme katı olsa bile döngüyü çalıştırmak için elektrik enerjisine ihtiyaç duyuluyor.
Isı, soğutma döngüsünü kendi başına çalıştırıyor KIT ve Tsukuba Üniversitesi araştırmacıları bu soruna farklı bir çözüm getirdi. Sistem, soğutucu alaşımı hareket ettirmek için yine bir şekil hafızalı alaşım kullanıyor. Deneysel cihazda 22 mikrometre kalınlığında titanyum-nikel (TiNi) film, termal aktüatör olarak görev yapıyor.
Buna mekanik olarak bağlanan 26,5 mikrometre kalınlığındaki titanyum-nikel-demir (TiNiFe) film ise soğutucu görevi üstleniyor. TiNi film ısıtıldığında büzülüyor. Isı uzaklaştırıldığında ise önceden belirlenmiş şekline geri dönerek TiNiFe filmini geriyor.
Bu gerilme, soğutucu alaşımda stres kaynaklı bir faz dönüşümü başlatıyor ve malzeme ısı açığa çıkarıyor. Açığa çıkan ısı bir ısı emiciye aktarıldıktan sonra aktüatör soğuyor ve gevşiyor. Bunun sonucunda TiNiFe üzerindeki mekanik yük azalıyor, alaşım eski kristal yapısına geri dönüyor ve bu sırada çevresinden ısı çekerek soğuyor.
Aktüatör yeniden ısıtıldığında döngü baştan başlıyor. Araştırmanın başındaki Jingyuan Xu, sistemin temel yeniliğini iki farklı şekil hafızalı alaşımın tamamlayıcı özelliklerinin bir araya getirilmesi olarak açıklıyor. Bir film ısıyı mekanik işe, diğer film ise bu mekanik işi soğuğa dönüştürüyor.
Deneylerde 2,2 K sıcaklık farkı elde edildi Araştırmacılar ilk testlerde TiNi aktüatörü elektriksel dirençle ısıttı. Aktüatörün ortalama maksimum sıcaklığı 86 °C seviyesine ulaştığında TiNiFe soğutucu tek başına 12,9 K sıcaklık farkı oluşturdu. Isı eşanjörleri ve sistemin diğer bileşenleri de hesaba katıldığında ise cihazın tamamında 20 döngünün ardından 4,0 K sıcaklık farkı elde edildi.
Daha dikkat çekici deneyde araştırmacılar elektrikli ısıtmayı tamamen ortadan kaldırarak aktüatörü 130 °C sıcaklığındaki harici bir katı ısı kaynağıyla ısıttı. Sistem bu koşullarda da çalışmaya devam etti ve 2,2 K sıcaklık farkı oluşturdu. Bu testte cihazın sıcak tarafı başlangıç sıcaklığından yaklaşık 1,2 °C daha sıcak, soğuk tarafı ise yaklaşık 1,0 °C daha soğuk hale geldi.
Elde edilen soğutma gücü 2,09 mW olurken, aktif soğutucu malzeme başına 3,32 W/g değerine ulaşıldı. Soğutma kapasitesinin arttırılması hedefleniyor Henüz bir fizibilite çalışması niteliğinde olan prototip, maksimum soğutma kapasitesi için optimize edilmiş değil. Araştırmacılar bir sonraki aşamada birden fazla filmi paralel şekilde bağlayarak sistemin soğutma kapasitesini artırmayı hedefliyor.
Teknolojinin potansiyel kullanım alanları da oldukça geniş. Örneğin bilgisayar işlemcileri tarafından ortaya çıkarılan atık ısı, yine işlemcinin soğutulması için kullanılabilir. Benzer şekilde otomobillerde aktarma organlarından ortaya çıkan ısı, hassas elektronik bileşenlerin soğutulmasında değerlendirilebilir.
Bunun yanında güneş enerjisiyle elde edilen ısının da sisteme aktarılması mümkün olabilir. Bu durum, elektrik enerjisine ihtiyaç duymadan çalışan daha sürdürülebilir ve kompakt soğutma sistemlerinin geliştirilmesine kapı aralayabilir. Araştırmacılar, teknolojinin ölçeklendirilmesiyle birlikte yaygın olarak bulunan atık ısı kaynaklarını kullanabilen kompakt katı hâl soğutma sistemleri geliştirmeyi hedefliyor.
