1757908616
2025-09-15 03:26:00
Исследователи в APL разработали новые материалы, называемые шахматами, которые значительно повышают эффективность термоэлектрических охлаждающих устройств. Их прорыв почти удваивает производительность традиционных материалов при комнатной температуре, что приводит к гораздо лучшим системам охлаждения и энергосберегающим технологиям. Кредит: Джонс Хопкинс APL/ED Whitman
Шахматные тонкие пленки APL почти двойной эффективности охлаждения. Масштабируемые материалы могут трансформировать технологии охлаждения и увлечения энергией.
Ученые из лаборатории прикладной физики Johns Hopkins (APL) в Лорере, штат Мэриленд, создали новую твердотельную термоэлектрическую систему охлаждения, которая проста в изготовлении и в два раза выше, чем устройства, построенные со стандартными массовыми термоэлектрическими материалами. По мере того, как глобальная потребность в компактных, надежных и энергоэффективных технологиях охлаждения продолжает расти, эта разработка обеспечивает многообещающую альтернативу традиционному охлаждению на основе компрессоров.
В исследовании, опубликованном в Природная связьИсследователи из APL, работающие с инженерами-охлаждением в Samsung Research, продемонстрировали значительные улучшения в эффективности нагрузки на тепло и охлаждающей способности. Эти выгоды были стали возможными благодаря высокоэффективным нано-инженерными термоэлектрическими материалами, разработанными в APL, известных как контролируемые иерархически спроектированные суперрешительные конструкции (шахматы).
Шахматная платформа представляет собой кульминацию десятилетия исследований APL о передовых нано-инженерных термоэлектриках и их применениях. Первоначально разработанный для целей национальной безопасности, материал с тех пор был адаптирован для других видов использования, включая неинвазивную охлаждающую терапию для протезирования, и был признан премией R & D 100 в 2023 году.
Крупным вниманием взглянуть на тестирование и накопление льда на термоэлектрическом устройстве на основе шахмата. Эта система тестирования помогает оценить, насколько эффективно новые материалы превращают электроэнергию в охлаждение, прокладывая путь для более эффективных технологий охлаждения и укрепления энергии. Кредит: Джонс Хопкинс APL/ED Whitman
«Эта реальная демонстрация охлаждения с использованием новых термоэлектрических материалов демонстрирует возможности нано инженерных шахматных тонких пленок»,-сказала Рама Венкатасубраманян, главный следователь совместного проекта и главный технолог термоэлектриков в APL. «Он отмечает значительный скачок в технологии охлаждения и создает основу для перевода достижений в термоэлектрических материалах в практические, крупномасштабные, энергоэффективные охлаждения».
Новый эталон для твердотельного охлаждения
Спрос на более мелкие и более эффективные технологии охлаждения обусловлен ростом населения, расширением городской деятельности и растущей зависимостью от передовой электроники и крупномасштабных систем данных. Хотя традиционные методы охлаждения эффективны, они, как правило, являются громоздкими, потребляют значительное количество энергии и полагаются на химические хладагенты, которые могут повредить окружающей среде.
Термоэлектрическое охлаждение предлагает многообещающую альтернативу. Этот подход передает тепло, используя электроны в рамках специализированных полупроводниковых материалов, устраняя необходимость в движущихся частях или химических охлаждающих жидкости. В результате эти системы могут быть сделаны компактными, тихими, надежными и экологически устойчивыми. В то время как массовые термоэлектрические материалы уже используются в небольших продуктах, таких как мини-рефригеры, их низкая эффективность, ограниченная мощность теплопередачи и плохая совместимость с производством полупроводниковых чипов ограничивают их внедрение в более широких, высокопроизводительных приложениях.
Натан Фэрбенкс, Джон Пирс и Рама Венкатасубраманян (слева направо) анализируют тонкие пленки, сделанные в лаборатории металлического органического химического осаждения (MOCVD). Кредит: Джонс Хопкинс APL/ED Whitman
В исследовании исследователи сравнивали холодильные модули с использованием традиционных массовых термоэлектрических материалов с тем, которые используют шахматные тонкопленочные материалы в стандартизированных холодильных тестах, измерения и сравнения электрической мощности, необходимой для достижения различных уровней охлаждения в тех же коммерческих системах тестирования холодильника. Команда Samsung Research Life Solution, возглавляемая исполнительным вице-президентом Джунхёном Ли, сотрудничала с APL для проверки результатов посредством подробного теплового моделирования, количественной оценки тепловых нагрузок и параметров теплового сопротивления для обеспечения точной оценки эффективности в реальных условиях.
Результаты были поразительными: используя шахматные материалы, команда APL достигла почти 100% повышения эффективности по сравнению с традиционными термоэлектрическими материалами при комнатной температуре (около 80 градусов по Фаренгейту, или 25 C). Затем они перевели эти прирост на уровне материала в повышение эффективности почти на 75% на уровне устройства в термоэлектрических модулях, построенных с шахматными материалами, и 70% повышения эффективности в полностью интегрированной системе охлаждения, каждая из которых представляет значительное улучшение по сравнению с современными массовыми термоэлектрическими устройствами. Эти тесты были завершены в условиях, которые включали значительное количество теплового накачки для повторения практической работы.
Построен в масштабе
Помимо повышения эффективности, технология тонкой пленки в шахматах использует удивительно меньше материала-всего 0,003 кубических сантиметра или размером с песчаного зерна в ходе охлаждения. Это снижение материала означает, что термоэлектрические материалы APL могут быть массово производиться с использованием инструментов производства полупроводниковых чипов, повышения эффективности затрат и обеспечения широкого распространения на рынке.
«Эта тонкопленочная технология может расти от питания мелких охлаждений до поддержки крупных зданий применения HVAC, аналогично тому, как литий-ионные батареи были масштабированы до силовых устройств, таких как мобильные телефоны и такие же большие, как электромобили»,-сказал Венкатасубраманян.
Джон Пирс, старший инженер-исследователь в APL, исследует тонкую пленку, выращенную с использованием металлического органического химического осаждения паров, метод, хорошо известный своей масштабируемостью, экономической эффективностью и способностью поддерживать производство крупного объема. Кредит: Джонс Хопкинс APL/Craig Weiman
Кроме того, шахматные материалы были созданы с использованием хорошо известного процесса, обычно используемого для производства высокоэффективных солнечных элементов, которые питают спутники и коммерческие светодиодные фонари.
«Мы использовали металлическую органическую химическую осаждение паров (MOCVD) для производства шахматных материалов, метод, хорошо известный благодаря его масштабируемости, экономической эффективности и способности поддержать производство крупного объема»,-сказал Джон Пирс, старший инженер-исследователь, который возглавляет возможности роста MOCVD в APL. «MOCVD уже широко используется в коммерческих целях, что делает его идеальным для масштабирования производства тонкопленочных термоэлектрических материалов в шахматах».
Будущие применения и сбора энергии
Эти материалы и устройства по -прежнему обещают широкий спектр применений для сбора энергии и электроники, в дополнение к недавним достижениям в охлаждении. APL планирует продолжать сотрудничать с организациями, чтобы уточнить шахматные термоэлектрические материалы с акцентом на повышение эффективности, чтобы приблизиться к эффективности обычных механических систем. Будущие усилия включают демонстрацию более масштабных охлаждений, включая морозильные камеры, а также интеграцию методов искусственного интеллекта для оптимизации энергоэффективности в компартментализированном или распределенном охлаждении в охлаждении и оборудовании HVAC.
«Помимо охлаждения, шахматные материалы также способны преобразовать температурные различия, такие как тепло, в мощность, в полезную мощность», – сказал Джефф Маранчи, менеджер по области программы разведки в области исследований и исследовательской миссии APL. «В дополнение к продвижению тактильных систем следующего поколения, протезирования и интерфейсам человека, это открывает дверь для масштабируемых технологий энергии для применения для применений, начиная от компьютеров до космического корабля-возможностей, которые не были возможными с более старыми термоэлектрическими устройствами».
«Успех этих совместных усилий демонстрирует, что высокоэффективное твердотельное охлаждение является не только научно жизнеспособным, но и производимым в масштабе»,-сказала Сьюзен Эрлих, менеджер по коммерциализации технологии APL. «Мы с нетерпением ждем дальнейших возможностей для исследований и передачи технологий с компаниями, поскольку мы работаем над переводом этих инноваций в практические, реальные приложения».
Reference: “Nano-engineered thin-film thermoelectric materials enable practical solid-state refrigeration” by Jake Ballard, Matthew Hubbard, Sung-Jin Jung, Vanessa Rojas, Richard Ung, Junwoo Suh, MinSoo Kim, Joonhyun Lee, Jonathan M. Pierce and Rama Venkatasubramanian, 21 May 2025, Природная связьПолем
Doi: 10.1038/s41467-025-59698-y
Никогда не пропустите прорыв: Присоединяйтесь к новостному бюллетеню Scitechdaily.
#Что #если #ваш #холодильник #был #вдвое #эффективным #полностью #молчал
Читайте также
