ในอนาคตการทำความเย็นตู้เย็นอาจต้อง “บิด” เท่านั้น

วิธีการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพ ประหยัดพลังงาน สีเขียว และพกพาได้คือทิศทางของการสำรวจอย่างต่อเนื่องของมนุษย์ เมื่อเร็ว ๆ นี้ บทความออนไลน์ในวารสาร Science ได้รายงานเกี่ยวกับกลยุทธ์การทำความเย็นแบบยืดหยุ่นใหม่ที่ค้นพบโดยทีมวิจัยร่วมของนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนและชาวอเมริกัน - "การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิด" ทีมวิจัยพบว่าการเปลี่ยนการบิดตัวภายในเส้นใยสามารถระบายความร้อนได้ เนื่องจากประสิทธิภาพการทำความเย็นที่สูงขึ้น ขนาดที่เล็กลง และการใช้ได้กับวัสดุธรรมดาหลายชนิด “ตู้เย็นความร้อนแบบบิด” ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีนี้จึงมีแนวโน้มที่ดีเช่นกัน

ความสำเร็จนี้มาจากการวิจัยร่วมกันของทีมศาสตราจารย์ Liu Zunfeng จาก State Key Laboratory of Medicinal chemistry Biology, School of Pharmacy และ Key Laboratory of Functional Polymer ของกระทรวงศึกษาธิการของ Nankai University และทีมงานของ Ray H. Baugman ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเท็กซัส สาขาดัลลาส และหยาง ซื่อเซียน อาจารย์ประจำมหาวิทยาลัยนันไค

เพียงลดอุณหภูมิลงแล้วบิด

ตามข้อมูลจากสถาบันวิจัยเครื่องทำความเย็นระหว่างประเทศ ปริมาณการใช้ไฟฟ้าของเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นในโลกปัจจุบันคิดเป็นประมาณ 20% ของการใช้ไฟฟ้าทั่วโลก หลักการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายของการทำความเย็นแบบอัดอากาศในปัจจุบันโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพคาร์โนต์น้อยกว่า 60% และก๊าซที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการทำความเย็นแบบดั้งเดิมกำลังทำให้ภาวะโลกร้อนรุนแรงขึ้น ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของมนุษย์ในการทำความเย็น การสำรวจทฤษฎีและวิธีแก้ปัญหาการทำความเย็นใหม่ๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำความเย็น ลดต้นทุน และลดขนาดอุปกรณ์ทำความเย็นจึงกลายเป็นงานเร่งด่วน

ยางธรรมชาติจะสร้างความร้อนเมื่อยืดออก แต่อุณหภูมิจะลดลงหลังจากการดึงกลับ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบยืดหยุ่น" ซึ่งถูกค้นพบตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ผลการระบายความร้อนที่ดี ยางจะต้องยืดออกล่วงหน้าเป็น 6-7 เท่าของความยาวของตัวเองแล้วจึงหดกลับ ซึ่งหมายความว่าการทำความเย็นต้องใช้ปริมาณมาก นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการ์โนต์ในปัจจุบันของ "การทำความเย็นด้วยความร้อน" ยังค่อนข้างต่ำ ซึ่งปกติจะอยู่ที่ประมาณ 32% เท่านั้น

ด้วยเทคโนโลยี "การระบายความร้อนแบบบิด" นักวิจัยได้ยืดเส้นใยยางอีลาสโตเมอร์สองครั้ง (ความเครียด 100%) จากนั้นยึดปลายทั้งสองข้างแล้วบิดจากปลายด้านหนึ่งเพื่อสร้างโครงสร้าง Superhelix ต่อมาเกิดการคลายตัวอย่างรวดเร็ว และอุณหภูมิของเส้นใยยางลดลง 15.5 องศาเซลเซียส

ผลลัพธ์นี้สูงกว่าเอฟเฟกต์การทำความเย็นโดยใช้เทคโนโลยี 'การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบยืดหยุ่น': ยางที่ยืดออกนานกว่า 7 เท่าจะหดตัวและเย็นตัวลงเหลือ 12.2 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม หากยางถูกบิดและยืดออก และปล่อยออกมาพร้อมกัน 'การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิดตัว' จะสามารถเย็นลงได้ถึง 16.4 องศาเซลเซียส Liu Zunfeng กล่าวว่าภายใต้เอฟเฟกต์การทำความเย็นเดียวกัน ปริมาณยางของ 'เครื่องทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิด' มีเพียงสองในสามของปริมาณยาง 'เครื่องทำความเย็นด้วยความร้อนแบบยืดหยุ่น' และประสิทธิภาพของ Carnot สามารถเข้าถึง 67% ซึ่งเหนือกว่าหลักการของอากาศมาก เครื่องทำความเย็นแบบบีบอัด

สายการประมงและสายสิ่งทอสามารถระบายความร้อนได้

นักวิจัยได้แนะนำว่ายังมีพื้นที่อีกมากสำหรับการปรับปรุงยางในฐานะวัสดุ "ทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิด" ตัวอย่างเช่น ยางมีเนื้อสัมผัสที่อ่อนนุ่มและต้องบิดหลายครั้งเพื่อให้ได้ความเย็นอย่างมาก ความเร็วการถ่ายเทความร้อนช้า และจำเป็นต้องพิจารณาปัญหาต่างๆ เช่น การใช้งานซ้ำและความทนทานของวัสดุ ดังนั้นการสำรวจวัสดุ "การทำความเย็นแบบบิด" อื่นๆ จึงกลายเป็นแนวทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับทีมวิจัย

สิ่งที่น่าสนใจคือ เราพบว่ารูปแบบ 'การระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบบิด' สามารถใช้ได้กับสายการประมงและสิ่งทอด้วย ก่อนหน้านี้ ผู้คนไม่ทราบว่าวัสดุธรรมดาเหล่านี้สามารถนำมาใช้ในการทำความเย็นได้” Liu Zunfeng กล่าว

ในตอนแรกนักวิจัยได้บิดเส้นใยโพลีเมอร์แข็งเหล่านี้และสร้างโครงสร้างเป็นเกลียว การยืดเกลียวอาจทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น แต่หลังจากการหดเกลียวกลับ อุณหภูมิจะลดลง

การทดลองพบว่าการใช้เทคโนโลยี "ระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบบิด" ลวดถักโพลีเอทิลีนสามารถทำให้อุณหภูมิลดลงได้ 5.1 องศาเซลเซียส ในขณะที่วัสดุถูกยืดและปล่อยออกมาโดยตรงโดยแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเลย หลักการของ 'การระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบบิด' ของเส้นใยโพลีเอทิลีนประเภทนี้คือในระหว่างกระบวนการยืดหด การบิดตัวภายในของเกลียวลดลง นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน Liu Zunfeng กล่าวว่าวัสดุที่ค่อนข้างแข็งเหล่านี้มีความทนทานมากกว่าเส้นใยยาง และอัตราการทำความเย็นก็สูงกว่ายางแม้ว่าจะยืดออกสั้นมากก็ตาม

นักวิจัยยังพบว่าการนำเทคโนโลยี "ระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบบิด" มาใช้กับโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างนิกเกิลไททาเนียมที่มีความแข็งแรงสูงกว่าและการถ่ายเทความร้อนที่เร็วขึ้นส่งผลให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนดีขึ้น และเพียงบิดน้อยลงเท่านั้นจึงจะได้ผลการระบายความร้อนที่มากขึ้น

ตัวอย่างเช่น โดยการบิดลวดโลหะผสมนิกเกิลไททาเนียมสี่เส้นเข้าด้วยกัน อุณหภูมิที่ลดลงสูงสุดหลังจากการคลายเกลียวจะสูงถึง 20.8 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิเฉลี่ยโดยรวมที่ลดลงก็อาจสูงถึง 18.2 องศาเซลเซียสด้วย ซึ่งสูงกว่าการทำความเย็นที่ 17.0 องศาเซลเซียสเล็กน้อยโดยใช้เทคโนโลยี 'การทำความเย็นด้วยความร้อน' รอบการทำความเย็นหนึ่งครั้งใช้เวลาประมาณ 30 วินาทีเท่านั้น” Liu Zunfeng กล่าว

เทคโนโลยีใหม่สามารถนำมาใช้ในตู้เย็นได้ในอนาคต

จากเทคโนโลยี "การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิด" นักวิจัยได้สร้างโมเดลตู้เย็นที่สามารถทำให้น้ำไหลเย็นลงได้ พวกเขาใช้ลวดโลหะผสมนิกเกิลไททาเนียมสามเส้นเป็นวัสดุทำความเย็น โดยหมุนด้วยความเร็ว 0.87 รอบต่อเซนติเมตร เพื่อให้ได้ความเย็นที่ 7.7 องศาเซลเซียส

การค้นพบนี้ยังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่จะมีการจำหน่าย 'ตู้เย็นแบบใช้ความร้อนแบบบิด' ในเชิงพาณิชย์ ทั้งในด้านโอกาสและความท้าทาย” เรย์ โบว์แมน กล่าว Liu Zunfeng เชื่อว่าเทคโนโลยีทำความเย็นใหม่ที่ค้นพบในการศึกษานี้ได้ขยายภาคส่วนใหม่ในด้านการทำความเย็น โดยจะเป็นแนวทางใหม่ในการลดการใช้พลังงานในด้านเครื่องทำความเย็น

ปรากฏการณ์พิเศษอีกประการหนึ่งใน "การทำความเย็นด้วยความร้อนแบบบิด" ก็คือส่วนต่างๆ ของเส้นใยมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ซึ่งเกิดจากการกระจายเกลียวเป็นระยะที่เกิดจากการบิดเส้นใยตามทิศทางความยาวของเส้นใย นักวิจัยได้เคลือบพื้นผิวของลวดโลหะผสมนิกเกิลไททาเนียมด้วยการเคลือบด้วยความร้อนเพื่อสร้างเส้นใยเปลี่ยนสีแบบ "ระบายความร้อนแบบบิด" ในระหว่างกระบวนการบิดและไม่บิดเกลียว เส้นใยจะเปลี่ยนสีได้ สามารถใช้เป็นองค์ประกอบการตรวจจับชนิดใหม่สำหรับการวัดการบิดของไฟเบอร์ระยะไกล ตัวอย่างเช่น จากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของสีด้วยตาเปล่า เราสามารถรู้ได้ว่าวัตถุมีการหมุนไปกี่ครั้งในระยะไกล ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ที่เรียบง่ายมาก “Liu Zunfeng กล่าวว่าตามหลักการของ” การระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบบิด “ เส้นใยบางชนิดยังสามารถนำไปใช้กับผ้าเปลี่ยนสีอัจฉริยะได้