في المستقبل، قد يحتاج تبريد الثلاجة فقط إلى "التواء"

إن طريقة التبريد الأكثر كفاءة وموفرة للطاقة والصديقة للبيئة والمحمولة هي اتجاه الاستكشاف البشري المتواصل. في الآونة الأخيرة، ذكرت مقالة على الإنترنت في مجلة Science عن استراتيجية تبريد مرنة جديدة اكتشفها فريق بحث مشترك من العلماء الصينيين والأمريكيين - "التبريد الحراري الالتوائي". ووجد فريق البحث أن تغيير الالتواء داخل الألياف يمكن أن يحقق التبريد. نظرًا لكفاءة التبريد العالية، والحجم الأصغر، وقابلية التطبيق على مختلف المواد العادية، أصبحت "الثلاجة الحرارية الملتوية" المصنوعة بناءً على هذه التكنولوجيا واعدة أيضًا.

يأتي هذا الإنجاز من البحث التعاوني لفريق البروفيسور ليو زونفينج من مختبر الدولة الرئيسي لبيولوجيا الكيمياء الطبية، كلية الصيدلة، والمختبر الرئيسي للبوليمر الوظيفي التابع لوزارة التعليم بجامعة نانكاي، وفريق راي إتش بوغمان ، أستاذ جامعة ولاية تكساس، فرع دالاس، ويانغ شيكسيان، أستاذ جامعة نانكاى.

فقط قم بخفض درجة الحرارة ولفها

ووفقا لبيانات المعهد الدولي لأبحاث التبريد، فإن استهلاك الكهرباء لمكيفات الهواء والثلاجات في العالم يمثل حاليا نحو 20% من استهلاك الكهرباء العالمي. إن مبدأ التبريد بضغط الهواء المستخدم على نطاق واسع في أيامنا هذه يتمتع بكفاءة كارنو أقل من 60%، كما أن الغازات المنبعثة من عمليات التبريد التقليدية تؤدي إلى تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري. مع تزايد الطلب على التبريد من قبل البشر، أصبح استكشاف نظريات وحلول تبريد جديدة لزيادة تحسين كفاءة التبريد، وخفض التكاليف، وتقليل حجم معدات التبريد مهمة ملحة.

سيولد المطاط الطبيعي الحرارة عند تمديده، لكن درجة الحرارة ستنخفض بعد تراجعه. وتسمى هذه الظاهرة "التبريد الحراري المرن"، والتي تم اكتشافها في أوائل القرن التاسع عشر. ومع ذلك، لتحقيق تأثير تبريد جيد، يجب تمديد المطاط مسبقًا إلى 6-7 أضعاف طوله ثم سحبه. وهذا يعني أن التبريد يتطلب كمية كبيرة. علاوة على ذلك، فإن كفاءة كارنو الحالية في "التبريد الحراري" منخفضة نسبيًا، وعادةً ما تبلغ حوالي 32٪ فقط.

ومن خلال تقنية "التبريد الالتوائي"، قام الباحثون بتمديد المطاط الليفي المطاطي مرتين (إجهاد بنسبة 100%)، ثم ثبتوا كلا الطرفين ولفوه من طرف واحد لتشكيل هيكل Superhelix. بعد ذلك، حدث فك سريع للألياف المطاطية، وانخفضت درجة حرارة الألياف المطاطية بمقدار 15.5 درجة مئوية.

هذه النتيجة أعلى من تأثير التبريد باستخدام تقنية "التبريد الحراري المرن": حيث ينكمش المطاط الذي يتم تمديده 7 مرات أطول ويبرد إلى 12.2 درجة مئوية. ومع ذلك، إذا تم لف المطاط وتمديده، ثم تحريره في وقت واحد، يمكن أن يبرد "التبريد الحراري الالتوائي" إلى 16.4 درجة مئوية. قال ليو زون فنغ إنه في ظل نفس تأثير التبريد، يكون حجم مطاط "التبريد الحراري الالتوائي" فقط ثلثي حجم مطاط "التبريد الحراري المرن"، ويمكن أن تصل كفاءة كارنو إلى 67%، وهو أعلى بكثير من مبدأ الهواء التبريد بالضغط.

يمكن أيضًا تبريد خط الصيد وخط النسيج

لقد أوضح الباحثون أنه لا يزال هناك مجال كبير للتحسين في المطاط باعتباره مادة "التبريد الحراري الالتوائي". على سبيل المثال، يتمتع المطاط بملمس ناعم ويتطلب العديد من التقلبات لتحقيق تبريد كبير. سرعة نقل الحرارة بطيئة، ويجب مراعاة مشكلات مثل الاستخدام المتكرر ومتانة المادة. لذلك، أصبح استكشاف مواد "التبريد الالتوائي" الأخرى بمثابة اتجاه مهم لفريق البحث.

ومن المثير للاهتمام أننا وجدنا أن نظام "التبريد الحراري الالتوائي" ينطبق أيضًا على خطوط صيد الأسماك والمنسوجات. وقال ليو زون فنغ: "في السابق، لم يدرك الناس أن هذه المواد العادية يمكن استخدامها للتبريد".

قام الباحثون أولاً بلف ألياف البوليمر الصلبة هذه وشكلوا بنية حلزونية. يمكن أن يؤدي تمديد الحلزون إلى رفع درجة الحرارة، ولكن بعد تراجع الحلزون، تنخفض درجة الحرارة.

وجدت التجربة أنه باستخدام تقنية "التبريد الحراري الالتوائي"، يمكن لسلك البولي إيثيلين المضفر أن يولد انخفاضًا في درجة الحرارة بمقدار 5.1 درجة مئوية، في حين يتم تمديد المادة مباشرة وإطلاقها دون ملاحظة أي تغير في درجة الحرارة تقريبًا. مبدأ "التبريد الحراري الالتوائي" لهذا النوع من ألياف البولي إيثيلين هو أنه أثناء عملية الانكماش، يتناقص الالتواء الداخلي للحلزون، مما يؤدي إلى تغيرات في الطاقة. وقال ليو زون فنغ إن هذه المواد الصلبة نسبيًا أكثر متانة من الألياف المطاطية، ويتجاوز معدل التبريد معدل تبريد المطاط حتى عندما يتم تمديده لفترة قصيرة جدًا.

ووجد الباحثون أيضًا أن تطبيق تقنية "التبريد الحراري الالتوائي" على سبائك الذاكرة ذات شكل النيكل والتيتانيوم ذات القوة الأعلى ونقل الحرارة بشكل أسرع يؤدي إلى أداء تبريد أفضل، ولا يلزم سوى لف أقل لتحقيق تأثير تبريد أكبر.

على سبيل المثال، من خلال لف أربعة أسلاك من سبائك النيكل والتيتانيوم معًا، يمكن أن يصل الحد الأقصى لانخفاض درجة الحرارة بعد الفك إلى 20.8 درجة مئوية، ويمكن أن يصل متوسط ​​انخفاض درجة الحرارة الإجمالي أيضًا إلى 18.2 درجة مئوية. وهذا أعلى قليلاً من درجة التبريد البالغة 17.0 درجة مئوية التي تم تحقيقها باستخدام تقنية "التبريد الحراري". قال ليو زون فنغ: "تستغرق دورة التبريد الواحدة حوالي 30 ثانية فقط".

يمكن استخدام التكنولوجيا الجديدة في الثلاجات في المستقبل

واستنادًا إلى تقنية "التبريد الحراري الالتوائي"، ابتكر الباحثون نموذجًا للثلاجة يمكنه تبريد المياه المتدفقة. واستخدموا ثلاثة أسلاك من سبائك النيكل والتيتانيوم كمواد تبريد، تدور بمعدل 0.87 دورة في السنتيمتر لتحقيق تبريد قدره 7.7 درجة مئوية.

وقال راي بومان: "لا يزال أمام هذا الاكتشاف طريق طويل ليقطعه قبل تسويق "الثلاجات الحرارية الملتوية"، مع كل من الفرص والتحديات". يعتقد ليو زونفينج أن تكنولوجيا التبريد الجديدة التي تم اكتشافها في هذه الدراسة قد وسعت قطاعًا جديدًا في مجال التبريد. وسوف توفر طريقة جديدة لتقليل استهلاك الطاقة في مجال التبريد.

ظاهرة خاصة أخرى في "التبريد الحراري الالتوائي" هي أن أجزاء مختلفة من الألياف تظهر درجات حرارة مختلفة، والتي تنتج عن التوزيع الدوري للحلزون الناتج عن التواء الألياف على طول اتجاه طول الألياف. قام الباحثون بتغليف سطح سلك سبائك النيكل والتيتانيوم بطبقة من اللون الحراري لصنع ألياف متغيرة اللون "التبريد الالتوائي". أثناء عملية اللف والفك، تخضع الألياف لتغيرات لونية قابلة للعكس. يمكن استخدامه كنوع جديد من عناصر الاستشعار للقياس البصري عن بعد لتطور الألياف. على سبيل المثال، من خلال ملاحظة تغيرات اللون بالعين المجردة، يمكن معرفة عدد الدورات التي قامت بها المادة على مسافة، وهو جهاز استشعار بسيط للغاية. "قال ليو زون فنغ إنه بناءً على مبدأ "التبريد الحراري الالتوائي"، يمكن أيضًا استخدام بعض الألياف للأقمشة الذكية المتغيرة الألوان.