فريق ألماني وياباني يطوّر نظام تبريد صلب يعمل بالحرارة المهدرة ويحقق فرق حرارة يبلغ 4 درجات مئوية

أخبار ar.wedoany.com، عرض فريق بحثي من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) في ألمانيا وجامعة تسوكوبا في اليابان نموذجًا أوليًا لنظام تبريد صلب يعمل بالحرارة بدلاً من الكهرباء. يستخدم النظام أغشية رقيقة من سبائك ذاكرة الشكل لتحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي، ثم إلى كمية قابلة للقياس من البرودة، مما يفتح مسارًا جديدًا للاستفادة من الحرارة المهدرة والطاقة الشمسية في التبريد. وقد نُشرت النتائج في مجلة "نيتشر إنيرجي" (Nature Energy).

تعتمد الثلاجات ومكيفات الهواء ومراكز البيانات على ضواغط تعمل بالكهرباء لنقل الحرارة التي يحملها وسيط التبريد من طرف إلى آخر، وهو مبدأ عمل أساسي ظل قيد الاستخدام لأكثر من قرن من الزمان. وفي الوقت نفسه، يمثل التبريد والتدفئة معًا نحو نصف استهلاك الطاقة العالمي، كما أن العديد من وسائط التبريد الشائعة تساهم في تفاقم الاحتباس الحراري. ويُعد التبريد الصلب المرن (Elastocaloric) مسارًا بديلاً واعدًا: إذ تبرد سبائك ذاكرة الشكل بعد تحرير الحمل الميكانيكي المطبق عليها مسبقًا. غير أن أنظمة التبريد المرن السابقة كانت لا تزال تحتاج إلى مشغلات تعمل بالكهرباء لتوليد القوة اللازمة، وبالتالي لم تكن قادرة على الاستفادة المباشرة من الحرارة المهدرة والطاقة الشمسية وغيرها من المصادر الحرارية المتاحة بوفرة.

دمج الفريق البحثي طبقتين رقيقتين متكاملتين الوظيفة من سبائك النيكل والتيتانيوم. تستخدم الطبقة الأولى تأثير ذاكرة الشكل، حيث تنكمش عند التسخين، محوّلةً الطاقة الحرارية مباشرة إلى عمل ميكانيكي دون الحاجة إلى محرك كهربائي؛ وتنتقل هذه الحركة فورًا إلى الطبقة الثانية، التي تولّد البرودة من خلال التطبيق والتحرير الدوري للحمل، مما يسبب تغيرات عكسية في البنية البلورية. وهكذا حلت الطاقة الحرارية محل المشغلات الكهربائية التي كانت تقود أنظمة التبريد المرن سابقًا.

وأوضحت الدكتورة جينغيوان شو، قائدة فريق الباحثين الشباب في مختبر ZEco الحراري التابع لمعهد تكنولوجيا الهياكل الدقيقة (IMT) في كارلسروه للتكنولوجيا، أن الابتكار الرئيسي يكمن في الجمع بين وظيفتين متكاملتين لسبائك ذاكرة الشكل: طبقة تحوّل الحرارة إلى عمل ميكانيكي، وطبقة أخرى تحوّل هذا العمل إلى برودة. ويؤسس هذا النهج طريقة جديدة لدفع التبريد الصلب، ويفتح إمكانيات جديدة للاستفادة من الحرارة المهدرة والطاقة الشمسية.

في ظل درجة حرارة مشغل تبلغ 86 درجة مئوية، حقق النموذج الأولي فرق حرارة يبلغ 4 درجات مئوية على مستوى المكونات، بينما اقترب تغير درجة حرارة وسيط التبريد المرن من 13 درجة مئوية، وبذلك تحقق الفريق البحثي لأول مرة من جدوى هذا المفهوم تجريبيًا. كما أن الجهاز قادر على العمل بشكل مستقر عند إدخال مصدر حرارة خارجي بدرجة حرارة 130 درجة مئوية، مما يؤكد أن النظام يمكن أن يعمل بمصادر حرارة حقيقية. وقال يي-تينغ هسياو، طالب الدكتوراه في المعهد والمؤلف الأول للورقة البحثية، إن اللحظة الحاسمة تمثلت في قياس البرودة الناتجة فعليًا عن نظام يعمل بالحرارة، مما يثبت أن هذا المبدأ ليس نظريًا فحسب.

صُمم الجهاز الحالي وفق أهداف دراسة الجدوى، ولم يُحسَّن بعد لتحقيق أقصى قدرة تبريد. ويعمل الفريق البحثي حاليًا على توصيل طبقات رقيقة متعددة على التوازي لتعزيز قدرة التبريد. وتشمل التطبيقات المحتملة اتجاهات متعددة، من بينها تبريد رقائق الحاسوب باستخدام الحرارة المهدرة الناتجة عن المعالج نفسه، وتبريد المكونات الإلكترونية الحساسة في المركبات باستخدام حرارة مجموعة نقل الحركة. وأُجري هذا البحث بالتعاون مع جامعة تسوكوبا في اليابان. ويرى الفريق البحثي أن هذه مجرد البداية، فمن خلال توسيع نطاق هذه التقنية، يمكن تطوير أنظمة تبريد مدمجة تستخدم مصادر حرارية متاحة على نطاق واسع لتحقيق تبريد مستدام.