Termoelastiset materiaalit

Paine ja veto pitävät ruoan kylmänä

Erikoismateriaalit kylmenevät tai lämpenevät, kun niitä vedetään tai painetaan kokoon. Tulevaisuuden ilmastoystävälliset kylmä- ja ilmastointilaitteet perustuvat niihin.

Erikoismateriaalit kylmenevät tai lämpenevät, kun niitä vedetään tai painetaan kokoon. Tulevaisuuden ilmastoystävälliset kylmä- ja ilmastointilaitteet perustuvat niihin.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ota kuminauha hyppysiisi ja venytä sitä niin kauan kuin se venyy.

Jos venyminen tapahtuu tarpeeksi nopeasti, kuminauha lämpenee tuntuvasti. Kun annat kuminauhan palautua alkuperäiseen muotoonsa, se viilenee kämmenelläsi ennalleen.

Tapaus ilmentää termoelastista ilmiötä (engl. elastocaloric effect), jonka hyödyntämismahdollisuuksia tutkitaan. Kun uudenlaiset termoelastiset materiaalit altistetaan mekaaniselle vaikutukselle, kuten puristukselle tai vedolle, lämpötila muuttuu jopa yli 30 astetta.

Parin viime vuoden aikana Kiinassa, Yhdysvalloissa ja Espanjassa on onnistuttu saamaan aikaan 31,5 asteen lämpötilanmuutos materiaalissa, joka perustuu nikkeliin ja mangaaniin.

Jos lämpötilaeroa pystytään kasvattamaan vielä lisää ja eräisiin teknisiin ongelmiin löydetään ratkaisu, termoelastisia materiaaleja voidaan käyttää tulevaisuuden ympäristöystävällisissä, energiaa säästävissä kylmä- ja ilmastointilaitteissa sekä lämpöpumpuissa.

Kumimolekyylit järjestyvät pitkittäin

Kuminauhan lämpötilan muuttuminen voi vaikuttaa erikoiselta, mutta se tapahtuu fysiikan tarkasti määritettyjen termodynamiikan eli lämpöopin pääsääntöjen mukaan.

Puristamalla kokoon tai vetämällä materiaalia voidaan saavuttaa yli 30 asteen lämpötilanmuutos.

Termodynamiikka on se fysiikan osa-alue, joka kuvaa muun muassa sitä, kuinka lämpö, paine ja energia vaikuttavat materiaaleihin ja millaisessa vuorovaikutussuhteessa ne ovat.

Termodynamiikan uranuurtajiin kuuluva ranskalaisfyysikko Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) sovelsi termodynamiikan pääsääntöjä muun muassa kehittäessään teoriassa kaikkein tehokkainta moottoria. Hänen elinaikanaan tavoitteena oli parantaa höyrykoneen hyötysuhdetta.

Moottorissa lämpöenergia muuttuu mekaaniseksi energiaksi männässä, joka saa akselin välityksellä ajoneuvon pyörät pyörimään.

Venyvän kuminauhan tapauksessa suunta on vastakkainen. Kumin mekaaninen liike tuottaa lämpöä.

Selitys löytyy entropiaksi kutsutusta ilmiöstä, joka ilmaisee molekyylien epäjärjestyksen määrän materiaalissa.

Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan nimittäin epäjärjestyksen määrä esimerkiksi vesilasissa pysyy luonnostaan aina vakiona tai se voi kasvaa. Järjestelmän epäjärjestys toisin sanoen kasvaa, kun sen tila muuttuu – kuten jään sulaessa.

Entropiaesimerkit
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Paine ja lämpötila muuttavat muotoa

Termodynamiikan käsitteisiin kuuluva entropia viittaa materiaalin tilaan. Paine, lämpötila ja tilavuus vaikuttavat yhdessä tilaan.

Entropia kasvaa jään sulaessa

Jää, joka sulaa vesilasissa, ja sokeri, joka liukenee kahvikupissa, ilmentävät entropiaa. Lasissa oleva jää jäähdyttää (entropia kasvaa), kunnes lasi saavuttaa huoneenlämmön ja jää on sulanut.

Molekyylit epäjärjestykseen

Jää ja sokeri siirtyvät järjestyksestä epäjärjestykseen, järjestyksessä olevasta molekyylirakenteesta hajanaisiksi, kaoottisiksi rakenteiksi. Prosessi tunnetaan myös termodynamiikan toisena pääsääntönä.

Kuminauhan tapauksessa entropia vähenee ja lämpötila laskee kuminauhan venyessä, mutta samalla epäjärjestyksen määrä kasvaa toisaalla järjestelmässä, jotta entropian kokonaismäärä pysyy ennallaan. Siksi jokin osa kuminauhasta lämpenee.

Metallien kiderakenne muuttuu

Mitä tekemistä tällä kaikella on tulevaisuuden kylmälaitteiden kanssa? Fyysikot eivät tietenkään käytä laboratoriossa kuminauhoja kehittäessään tehokkaita ja kestäviä termoelastisia materiaaleja. Tutkimukselle viitoittavat tietä muistimetallit (engl. shape memory alloys).

Kyse on eri metallien, kuten nikkelin, mangaanin ja titaanin, seoksista, joissa esiintyy termoelastinen ilmiö eli joiden lämpötila muuttuu, kun niitä puristetaan tai vedetään voimakkaasti.

DTU:n lämpöpumppu

Tanskan teknillisessä yliopistossa (DTU) on kehitetty lämpöpumppu, jossa termoelastinen materiaali luovuttaa vuoroin lämpöä (alempi putki oikealla), vuoroin kylmää (ylempi putki oikealla).

© Kurt Engelbrecht, DTU

Muistimetallien nimi johtuu siitä, että seokset ”muistavat” alkuperäisen molekyylitilansa ja palaavat siihen, kun paine tai veto häviää.

Käytännössä metallien kiderakenne muuttuu, kun ne altistetaan esimerkiksi paineelle. Fyysikot puhuvat austeniittisen tilan vaihtumisesta martensiittiseksi: kuutiollisessa tilassa olevista molekyyleistä tulee neljäkkään tai timantin kaltainen rakenne.

Siirtymävaiheen aikana seokset lämpenevät, jolloin kiertävä neste ottaa lämmön talteen ja siirtää sen eteenpäin järjestelmässä.

Seuraavaksi poistetaan paine, ja seos jäähtyy. Sen lämpötila laskee kuitenkin lähtötasoa alemmaksi. Ja tätä ominaisuutta voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi ruoan säilytyksessä.

Tekniikka voi parantaa kylmälaitteita

Tavallisessa jääkaapissa kompressori kierrättää kasvihuonekaasua. Kylmäaineen olomuoto vaihtuu kierron aikana kaasusta nesteeksi, ja tämä prosessi jäähdyttää.

Vaikka nykyaikaiset jääkaapit toimivat tehokkaammin, niiden hyötysuhde jää kauas parhaasta mahdollisesta. Nykyään prosessi tuottaa niissä noin 20 prosenttia teoreettisesta maksimista.

Jääkaappitekniikka
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Materiaalit puristavat kylmää kaappiin

Kun termoelastinen materiaali painuu kokoon ja palaa entiseen muotoon, syntyy viilentävä kierto, joka voi korvata vanhan jäähdytysjärjestelmän.

Mäntä painuu alas
© Ken Ikeda Madsen

1. Paine lämmittää materiaalia

Mäntä painaa termoelastista metallia ulkopuolelta. Paine aiheuttaa epäjärjestystä materiaalin rakenteessa ja saa sen muuttamaan muotoaan. Silloin kammiossa syntyvä lämpö saa materiaalia ympäröivän kaasuuntuneen nesteen laajenemaan.

Kaasu siirtyy eteenpäin
© Ken Ikeda Madsen

2. Neste virtaa kaasuna

Painekammiossa avautuu oikeanpuoleinen yksisuuntaventtiili, ja kaasuuntunut neste pääsee virtaamaan ulos. Koska venttiili estää takaisinvirtauksen, laajeneva neste jatkaa matkaansa eteenpäin järjestelmässä, jotta paine tasaantuu.

Materiaali jäähtyy uudestaan
© Ken Ikeda Madsen

3. Materiaali jäähtyy

Mäntä nousee, ja kammio viilenee. Paineen pienentyessä myös kammion termoelastisen materiaalin lämpötila laskee. Kammio jäähtyy, koska molekyylit asettuvat taas järjestykseen. Niin sanottu entropia pienenee.

Paine laskee
© Ken Ikeda Madsen

4. Kylmyys siirtyy ulos

Paine laskee matalammalle tasolle kuin edeltävässä kammiossa. Vasemmanpuoleinen yksisuuntaventtiili avautuu, ja kaasuuntuneen kylmän nesteen annetaan jäähdyttää viereistä kammiota, kunnes kierto alkaa alusta.

Tutkijat pyrkivät termoelastisten materiaalien avulla tehostamaan kylmälaitteiden toimintaa 10–20 prosenttia parhaisiin nykyään myytäviin malleihin verrattuna.

Tavoitteella on suuri merkitys sähkönkulutukselle. Kylmä- ja ilmastointilaitteet sekä lämpöpumput käyttävät nimittäin 25–30 prosenttia kaikesta tuotetusta sähköstä.

Euroopassa säilytetään nykyään noin 70 prosenttia kaikista elintarvikkeista joko jääkaappi- tai pakastinlämpötilassa. Koska monissa maissa on käytössä vanhanaikaisia kylmäIaitteita, jäähdyttämisen tehostamisella voidaan saavuttaa merkittäviä säästöjä.

Toinen termoelastisten materiaalien etu piilee siinä, että niihin perustuva kylmäkierto ei vaadi kasvihuonekaasuja. Lisäksi termoelastinen jäähdytys ei aiheuta melu- ja tärinähaittoja niin kuin tavalliset jääkaapit ja pakastimet.

Tutkijoiden pitää kuitenkin ratkaista vielä useita ongelmia, ennen kuin uudenlaisia kylmälaitteita päästään tehtailemaan.

Lämpötilaeron pitää olla yli 35 astetta

Esimerkiksi Tanskan teknillisen yliopiston ensimmäisissä koemalleissa materiaali kesti vain 6 000–7 000 kiertoa.

Sittemmin materiaali on saatu toimimaan noin 100 000 kierron verran.

Termoelastinen jäähdytys ei aiheuta melu- ja tärinähaittoja niin kuin tavallinen kylmäkone.

Tutkijoiden mukaan on teknisesti mahdollista päästä miljoonaan tai jopa kymmeneen miljoonaan kiertoon. Materiaalien pitääkin kestää vähintään noin monta kiertoa, jotta ne olisivat käyttökelpoisia myös käytännössä.

Toinen haaste on lämpötilaero, josta tutkijat käyttävät nimitystä delta T. Nykyinen ennätys on 31,5 astetta.

Lämpötilaeron pitää kuitenkin olla yli 35 astetta jäähdytyskäytössä.

Tutkimusta tehdään myös niin sanottujen barokaloristen materiaalien parissa. Niitä käytettäessä lämpötilaeron aiheuttaa mekaanisen puristuksen sijasta ilmanpaineen vaihtelu.

Espanjalais-ranskalais-brittiläinen tutkimusryhmä on jo onnistunut muuttamaan materiaalin entropiaa siinä määrin, että vaikutusta voidaan verrata nykyaikaisen kylmälaitteen toimintaan.

Niinpä ajatus, että tulevaisuuden ilmastolle vähemmän haitallisissa kylmälaitteissa ympäristöä kuormittavan kasvihuonekaasun korvaa muistimetalliseos, ei vaikuta täysin epärealistiselta.