Инженеры разработали умный сплав, меняющий температуру при растяжении

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий разработали эластичный сплав Ti78Nb22, который нагревается и охлаждается в 20 раз эффективнее обычных металлов. Этот результат, опубликованный в Nature Communications, показывает, что сплав работает с эффективностью, близкой к теоретическому максимуму — 90% от идеального теплового цикла (цикла Карно).

Это значит, что новый материал может стать экологичной альтернативой обычным тепловым насосам и поможет снизить зависимость от ископаемого топлива, которое используется для половины всех нужд в отоплении по всему миру.

Сплав Ti78Nb22 состоит из титана и ниобия. Его уникальное свойство — нагреваться при растяжении и охлаждаться при сжатии, почти как резинка, но гораздо мощнее. Это явление называется термоупругим эффектом. Если обычный металл при растяжении нагревается совсем чуть-чуть (примерно на 0,2 градуса), то этот сплав может изменить температуру на целых 4–5 градусов — это в 20 раз больше. Такой эффект сопоставим с современными системами охлаждения, которые используют специальные газы (хладагенты).

Сплав достигает 90% эффективности Карно — предела идеального теплового цикла, тогда как традиционные твердотельные насосы ограничены 50–70%. Ученые считают, что похожие сплавы с особенными свойствами, которые меняют форму и температуру под давлением (их называют ферроупругими), могут менять свою температуру еще сильнее — примерно на 22 градуса. Это значит, что такие материалы смогут, например, лучше нагревать или охлаждать, что повысит производительность устройств на их основе.

Отопление и охлаждение составляют половину мирового энергопотребления, в основном за счет сжигания ископаемого топлива, что усиливает выбросы парниковых газов. Традиционные тепловые насосы, использующие фазовые переходы, менее эффективны и часто применяют хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления. Ti78Nb22 предлагает экологичное решение: он не выделяет парниковых газов, полностью перерабатывается и работает без сложных фазовых переходов.

Ti78Nb22 может стать основой для тепловых насосов нового поколения. Ученые уже разрабатывают прототипы для промышленности, а патенты на технологию поданы. Сплавы могут сделать системы еще мощнее, охлаждая помещения с 30 °C до 21 °C за 15 минут. Это особенно важно, так как кондиционирование занимает 20% мировой электроэнергии.