Μια ομάδα ερευνητών από το Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) ανακοίνωσε μια εξέλιξη που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε την ψύξη και την εξοικονόμηση ενέργειας. Χρησιμοποιώντας ένα νέο υλικό, γνωστό ως CHESS (Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures), οι επιστήμονες κατάφεραν να σχεδόν διπλασιάσουν την αποδοτικότητα των θερμοηλεκτρικών συστημάτων ψύξης σε σχέση με τα συμβατικά μέσα.
Το επίτευγμα αυτό δεν είναι απλώς ένα ακόμα βήμα στον τομέα της ψύξης· αποτελεί σημείο καμπής. Σε μια εποχή που η ζήτηση για ενεργειακά αποδοτικές, αξιόπιστες και πιο συμπαγείς λύσεις αυξάνεται συνεχώς – από τα νοικοκυριά έως τις διαστημικές αποστολές – η τεχνολογία CHESS παρουσιάζεται ως μια κλιμακούμενη και βιώσιμη εναλλακτική απέναντι στα κλασικά συστήματα ψύξης που βασίζονται σε συμπιεστές και χημικά ψυκτικά.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τη Samsung Research. Οι μηχανικοί ψύξης της εταιρείας συνέβαλαν στην πιστοποίηση των αποτελεσμάτων, επιβεβαιώνοντας μέσω θερμικής μοντελοποίησης ότι τα συστήματα που αξιοποιούν τα νέα υλικά παρουσιάζουν σημαντικά βελτιωμένη ικανότητα μεταφοράς θερμότητας και ενεργειακή αποδοτικότητα.
Η τεχνολογία CHESS είναι προϊόν μιας δεκαετούς ερευνητικής προσπάθειας στο APL. Αρχικά είχε αναπτυχθεί για εφαρμογές εθνικής ασφάλειας, ενώ στη συνέχεια αξιοποιήθηκε και σε ιατρικές θεραπείες, όπως για την ψύξη προθετικών με μη επεμβατικό τρόπο. Το 2023 μάλιστα είχε βραβευτεί με το R&D 100 Award, επιβεβαιώνοντας τη δυναμική της.
Σύμφωνα με τον Rama Venkatasubramanian, επικεφαλής της μελέτης και chief technologist για τα θερμοηλεκτρικά στο APL,
Η πραγματική εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας δείχνει ότι περνάμε σε μια νέα εποχή. Δεν πρόκειται μόνο για θεωρητικές βελτιώσεις, αλλά για μια απόδειξη ότι οι θερμοηλεκτρικές λύσεις μπορούν πλέον να σταθούν απέναντι στις παραδοσιακές μεθόδους ψύξης.
Τα αποτελέσματα των δοκιμών ήταν εντυπωσιακά. Σε συνθήκες δωματίου, οι συσκευές με υλικά CHESS παρουσίασαν βελτίωση της αποδοτικότητας σχεδόν κατά 100% σε σύγκριση με τις συμβατικές θερμοηλεκτρικές λύσεις. Σε επίπεδο συσκευής, η βελτίωση άγγιξε το 75%, ενώ σε ολοκληρωμένα συστήματα ψύξης η αύξηση της απόδοσης έφτασε στο 70%. Πρόκειται για μεγέθη που καθιστούν την τεχνολογία αυτή την πιο ανταγωνιστική που έχει παρουσιαστεί έως σήμερα.
Εξίσου σημαντική είναι και η δυνατότητα μαζικής παραγωγής. Για κάθε μονάδα ψύξης απαιτείται μόλις ένα απειροελάχιστο ποσοστό υλικού – περίπου όσο ένας κόκκος άμμου. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνολογία μπορεί να παραχθεί με τα ίδια εργαλεία που ήδη χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ηλιακών κυψελών και LED, μέσω της μεθόδου MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). Όπως εξηγεί ο Jon Pierce, επικεφαλής μηχανικός στο APL, «πρόκειται για μια διαδικασία που είναι ήδη γνωστή για την οικονομικότητα και την κλιμάκωσή της, γεγονός που καθιστά εφικτή την εμπορική αξιοποίηση των υλικών CHESS».
Οι εφαρμογές που ανοίγονται είναι σχεδόν απεριόριστες. Από μικρές οικιακές συσκευές μέχρι μεγάλα συστήματα HVAC για κτήρια, η νέα τεχνολογία μπορεί να βρει θέση οπουδήποτε υπάρχει ανάγκη για αποδοτική ψύξη. Ο Venkatasubramanian παρομοίασε τη δυναμική της με εκείνη των μπαταριών λιθίου: από την τροφοδοσία κινητών τηλεφώνων, η τεχνολογία κλιμακώθηκε ώστε να κινεί ηλεκτρικά οχήματα.
Παράλληλα, η δυνατότητα των υλικών CHESS να αξιοποιούν διαφορές θερμοκρασίας για την παραγωγή ενέργειας ανοίγει νέες προοπτικές. Όπως σημειώνει ο Jeff Maranchi, υπεύθυνος του Exploration Program Area στο APL,
Αυτή η τεχνολογία μπορεί να μετατρέψει τη θερμότητα του σώματος σε ηλεκτρική ενέργεια, τροφοδοτώντας συστήματα επαφής, προθετικά μέλη και διασυνδέσεις ανθρώπου-μηχανής. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπολογιστές και ακόμα και σε διαστημικές αποστολές, εκεί όπου οι κλασικές θερμοηλεκτρικές συσκευές αποτυγχάνουν λόγω όγκου και χαμηλής απόδοσης.
Η Susan Ehrlich, υπεύθυνη εμπορικής αξιοποίησης τεχνολογιών στο APL, δήλωσε χαρακτηριστικά:
Αποδείξαμε ότι η ψύξη στερεάς κατάστασης υψηλής απόδοσης δεν είναι απλώς εφικτή επιστημονικά, αλλά μπορεί να παραχθεί και σε μεγάλη κλίμακα. Επόμενο βήμα μας είναι η συνεργασία με εταιρείες για να μετατρέψουμε αυτή την καινοτομία σε πρακτικές λύσεις για την καθημερινότητα.
[via]
