Przełom w chłodzeniu: technologia CHESS podwaja efektywność urządzeń chłodniczych

Nowa era chłodzenia dzięki technologii CHESS

W Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) w Maryland, USA, opracowano nową technologię chłodniczą opartą na cienkowarstwowych materiałach termoelektrycznych CHESS (controlled hierarchically engineered superlattice structures). Dzięki zaawansowanej inżynierii nano-materiałów, możliwe było niemal podwojenie efektywności energetycznej w porównaniu do powszechnie stosowanych materiałów termoelektrycznych.

Współpraca naukowa i inżynierska

Osiągnięcie to jest efektem dziesięcioletnich badań zespołu APL, we współpracy z inżynierami chłodnictwa z Samsung Research. W opublikowanej w Nature Communications pracy wykazano, iż moduły chłodnicze z cienkowarstwowych materiałów CHESS wykazują blisko 100% wzrost efektywności w temperaturze pokojowej względem tradycyjnych rozwiązań.

„To realna demonstracja możliwości nano-inżynieryjnych cienkowarstw CHESS w praktycznych zastosowaniach chłodniczych. Otwiera to drogę do wdrożenia nowoczesnych, energooszczędnych systemów chłodzenia na szeroką skalę.”

– Rama Venkatasubramanian, główny badacz projektu i główny technolog ds. termoelektryków w APL

Przewaga nad tradycyjnymi technologiami

Tradycyjne systemy chłodzenia są często duże, energochłonne i wykorzystują szkodliwe dla środowiska czynniki chłodnicze. Technologia termoelektryczna, stosowana dotychczas głównie w niewielkich urządzeniach, nie była szeroko wykorzystywana ze względu na ograniczoną efektywność i trudności w skalowaniu.

W badaniach porównano moduły z klasycznych materiałów z tymi z cienkowarstw CHESS, mierząc zużycie energii przy różnych poziomach chłodzenia. Wyniki wykazały:

• Blisko 100% wzrost efektywności na poziomie materiału;
• Około 75% poprawę efektywności na poziomie modułu chłodniczego;
• 70% wzrost efektywności w zintegrowanym systemie chłodniczym.

Możliwości skalowania i produkcji

Cienkowarstwowe materiały CHESS wymagają zaledwie 0,003 cmł materiału na jednostkę chłodzącą – to objętość porównywalna do ziarnka piasku. Produkcja odbywa się metodą MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), szeroko stosowaną w przemyśle półprzewodnikowym, co umożliwia masowe wdrożenie nowych rozwiązań chłodniczych.

„Ta cienkowarstwowa technologia może być skalowana od małych urządzeń po systemy klimatyzacji budynków, podobnie jak baterie litowo-jonowe.”

– Rama Venkatasubramanian

Szerokie zastosowania: od chłodnictwa po energetykę

Materiały CHESS mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w chłodnictwie, ale również w odzyskiwaniu energii czy zaawansowanych systemach elektronicznych. Prace nad rozwojem obejmują integrację z systemami AI do optymalizacji zużycia energii oraz wdrożenia w większych systemach, takich jak zamrażarki czy HVAC.

„Materiały CHESS umożliwiają przekształcanie różnic temperatur, np. ciepła ciała, w użyteczną energię, co otwiera nowe możliwości dla technologii przyszłości.”

– Jeff Maranchi, Exploration Program Area manager w APL

Perspektywy komercjalizacji

APL planuje dalsze prace nad udoskonaleniem materiałów CHESS oraz współpracę z partnerami przemysłowymi, by wdrażać technologię do praktycznych zastosowań na rynku.

„Wysokoefektywne chłodzenie stanów stałych jest nie tylko naukowo możliwe, ale także możliwe do produkcji na dużą skalę.”

– Susan Ehrlich, menedżer ds. komercjalizacji technologii w APL

Źródło: ScienceDaily