Les ingénieurs développent le réfrigérateur du futur

Anonim

Le refroidissement est un processus extrêmement important dans le monde d'aujourd'hui. Mais comment le refroidissement peut-il être réalisé à l'avenir de manière à ne pas nuire au climat et à préserver les ressources naturelles? L'approche adoptée par les professeurs Stefan Seelecke et Andreas Schütze de l'Université de la Sarre se concentre sur les systèmes utilisant des matériaux à mémoire de forme, également appelés «muscles métalliques» ou «muscles artificiels». En collaboration avec des chercheurs de Bochum, ils développent une nouvelle méthode de refroidissement dans laquelle la chaleur et le froid sont transférés à l'aide de «muscles» fabriqués à partir d'un alliage de nickel et de titane. De nombreuses séries de tests ont abouti à des résultats actuellement utilisés pour développer un prototype de circuit de refroidissement qui sera utilisé pour accroître encore l’efficacité du processus. La Fondation allemande pour la recherche (DFG), qui finance le projet depuis trois ans, a accepté d’investir 500 000 euros supplémentaires. Au total, le projet a rapporté environ 950 000 euros à la région.

Le refroidissement est effectué dans toutes les régions du monde. Les réfrigérateurs fonctionnent 24 heures sur 24, les climatiseurs refroidissent les bureaux, les systèmes de refroidissement contribuent au bon fonctionnement des ordinateurs et des moteurs. Et la demande de refroidissement dépend à la fois du changement climatique et de la croissance démographique mondiale. Mais plus de systèmes de refroidissement ont un prix - et pas seulement financier. Un refroidissement accru signifie une consommation accrue d'énergie électrique et donc une augmentation des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, ce qui accélère encore le réchauffement climatique. Les équipes de recherche dirigées par les ingénieurs Stefan Seelecke et Andreas Schütze, en collaboration avec les spécialistes des matériaux Gunther Eggeler et Jan Frenzel de la Ruhr University Bochum, ont mis au point une méthode de refroidissement plus respectueuse de l’environnement. Le processus de refroidissement qu'ils développent ne nécessite pas de réfrigérants climatiquement nocifs et devrait consommer moins d'énergie que les technologies de refroidissement conventionnelles utilisées jusqu'à présent.

«Dans nos systèmes, les alliages à mémoire de forme (SMA) sont utilisés pour éliminer la chaleur», explique Stefan Seelecke, professeur de systèmes de matériaux intelligents à l'université de Sarre. «La mémoire de forme signifie que les fils ou les feuilles fabriqués à partir d'un alliage de nickel-titane ont une certaine capacité à se rappeler de leur forme d'origine: s'ils subissent une déformation, ils retrouveront leur forme antérieure. Ils sont donc capables de se contracter et de fléchir comme des muscles. Le fait qu'ils absorbent et libèrent de la chaleur lorsqu'ils le font est quelque chose que nous exploitons pour atteindre le refroidissement », explique Seelecke.

Si un fil ou une feuille de nickel-titane est déformé ou tiré en tension, la structure du réseau cristallin peut changer, ce qui crée une contrainte dans le matériau. Cette modification de la structure cristalline, appelée transition de phase, fait que l'alliage à mémoire de forme devient plus chaud. Si on laisse l’échantillon stressé se détendre après l’égalisation de la température avec l’environnement, il subit un refroidissement important à une température d’environ 20 degrés au-dessous de la température ambiante. «L'idée de base était d'éliminer la chaleur d'un espace - comme l'intérieur d'un réfrigérateur - en permettant à un matériau à mémoire de forme super élastique et précontraint de se détendre et donc de se rafraîchir de manière significative. La chaleur absorbée dans ce processus est ensuite libérée à l'extérieur. Le SMA est alors re-stressé dans les environs, ce qui élève sa température avant que le cycle ne recommence », explique Seelecke.

Dans les études expérimentales et de modélisation réalisées à ce jour, les chercheurs de l'Université de la Sarre et du Centre pour la mécatronique et les technologies d'automatisation (ZeMA) de Sarrebruck ont ​​démontré que ce type de refroidissement fonctionne et qu'il peut être utilisé dans la pratique. Ils ont utilisé un système de modèle pour déterminer comment optimiser l'efficacité du processus de refroidissement, en examinant des facteurs tels que la force à allonger ou à plier afin d'obtenir une certaine performance de refroidissement ou l'efficacité du processus lentement ou plus rapidement. Une caméra thermique a été déployée pour analyser précisément le déroulement des étapes de chauffage et de refroidissement.

«Nous utilisons actuellement ces résultats pour construire un prototype optimisé pour un système de refroidissement à air. Nous créons un cycle de refroidissement dans lequel l'air chaud passe d'un côté à l'autre d'un faisceau de fils à mémoire de forme en rotation. Plusieurs fils sont utilisés pour améliorer la puissance de refroidissement. Le faisceau est sollicité mécaniquement d'un côté lorsqu'il tourne, chauffant ainsi les fils SMA, car il tourne plus loin, le SMA se détend et se refroidit. L'air à refroidir est guidé au-delà du faisceau de câbles froid, refroidissant ainsi un espace adjacent », explique le professeur Schütze du laboratoire de mesure de l'université. L'équipe d'ingénieurs est en train de peaufiner le processus pour optimiser son efficacité. «Une optimisation supplémentaire du processus de refroidissement impliquera de modéliser toutes les étapes des composants puis d'affiner ces modèles en comparant les prévisions avec les résultats expérimentaux. Les données issues des travaux de modélisation et d’expérience devraient nous permettre de déterminer le nombre idéal de fils à mémoire de forme pour notre faisceau de câbles rotatif, ainsi que la vitesse de rotation optimale », explique Schütze.

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