CHLB Đức – Bộ truyền động thông minh được làm bằng vật liệu thông minh, cảm biến với khả năng hoàn toàn mới, máy điều hòa nhiệt độ bằng vật liệu đàn hồi với hiệu quả làm mát và sưởi ấm vượt trội. Công ty Mateligent GmbH, CHLB Đức cung cấp bí quyết để biến ý tưởng thành công.
Mateligent là một công ty trực thuộc khoa Vật liệu Thông minh – iMSL (Intelligent Material Systems Lab) tại đại học Saarland, đã bắt đầu thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu và thị trường bằng cách phát triển các hệ thống cơ điện tử tùy chỉnh dựa trên hợp kim nhớ hình dạng (FGL) (1) và chất đàn hồi điện môi (DE) (2). Quy trình làm mát bằng vật liệu đàn hồi (elastocaloric) được trình bày tại hội chợ công nghệ hàng đầu châu Âu Hannover Messe 2023, được Ủy ban châu Âu và bộ Năng lượng Mỹ tuyên bố là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn dành cho các máy lạnh nén khí hiện tại.
Giáo sư hệ thống Vật liệu Thông minh tại đại học Saarland, ông Stefan Seelecke cho biết: “Công nghệ làm lạnh của chúng tôi hoàn toàn không yêu cầu bất kỳ chất làm lạnh nào gây hại cho khí hậu và có hiệu suất năng lượng cao đáng kể”. (1) Hợp kim nhớ hình dạng: Trong luyện kim, hợp kim nhớ hình là hợp kim có thể bị biến dạng khi nguội, nhưng sẽ trở lại hình dạng trước khi bị nung nóng. (2) Chất đàn hồi điện môi (DE – dielectric elastomers): Hệ thống vật liệu thông minh tạo ra các biến dạng lớn. Chúng thuộc nhóm các polyme hoạt tính điện. DE biến năng lượng điện thành công cơ học. Chúng nhẹ và có mật độ năng lượng đàn hồi cao.
Vật liệu đàn hồi có thể làm mát Một quy trình làm mát hoàn toàn mới lần đầu liên được giới thiệu tại hội chợ công nghệ Hannover Messes 2023, do đại học Saarland (tại CHLB Đức) nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm. Quy trình làm mát bằng “cơ nhân tạo”, đó là vật liệu dạng sợi có khả năng nhớ hình dạng của hợp kim niken-titan, được gọi là Nitinol. Những sợi dây này có tính chất đặc biệt do có khả năng lấy lại hình dạng cũ khi chúng bị biến dạng hoặc bị kéo. Nói cách khác, chúng bị kéo căng ra và đàn hồi trở lại, tương tự như các sợi cơ.
Lý do cho điều thú vị này nằm ẩn sâu bên trong vật liệu kim loại. Các nguyên tử của nó nằm trong một mạng lưới tinh thể, nếu dây bị biến dạng hoặc bị kéo, các lớp nguyên tử sẽ dịch chuyển và xuất hiện lực căng trong mạng lưới đó. Những lực căng này được giải phóng khi dây trở lại hình dạng cũ. Trong quá trình này, các nhà nghiên cứu gọi chúng là sự biến đổi pha, các dây dẫn hấp thụ nhiệt và giải phóng nhiệt trở lại. Giáo sư Seelecke và cộng sự đã sử dụng hiệu ứng này trong máy làm mát của họ, và rút ra kết luận rằng: “Vật liệu nhớ hình dạng giải phóng nhiệt khi nó được kéo (ở trạng thái được gọi là siêu đàn hồi) và hấp thụ nhiệt khi nó được giải phóng. Trong trường hợp của Nitinol, hiệu ứng này đặc biệt mạnh. Khi các dây đã căng trước đó được nới lỏng ở nhiệt độ phòng, chúng sẽ hạ nhiệt xuống khoảng 20 độ so với môi trường xung quanh”.
Một ý tưởng cơ bản đơn giản Bà Susanne-Marie Kirsch, người đã giúp phát triển máy làm mát trong luận án tiến sĩ của mình, giải thích rằng: “Chúng tôi sử dụng những đặc tính này để truyền nhiệt đi. Ý tưởng cơ bản là dùng vật liệu dạng sợi (nhớ hình dạng) siêu đàn hồi, kéo căng chúng trước khi mang vào một căn phòng nơi chúng tự giải phóng năng lượng, đồng thời làm mát không khí và do đó căn phòng trở nên mát hơn”. Bên ngoài căn phòng, các nhà khoa học dùng dây cáp dẫn nhiệt tỏa ra môi trường.
Cách triển khai phức tạp Tuy nhiên, trong máy làm mát Saarbrücken, mọi thứ phức tạp hơn nhiều: trong mạch làm mát, một ổ cam được thiết kế đặc biệt (đang chờ cấp bằng sáng chế) nhằm đảm bảo rằng các bó dây nitinol dày 200 micromet liên tục được kéo và nhả ra trong suốt quá trình quay. Không khí được thổi qua các bó dây trong hai ngăn riêng biệt, làm nóng chúng ở một ngăn và làm mát chúng ở ngăn khác. Điều này cho phép máy vưa làm mát, nhưng cũng vừa để sưởi ấm. Ông Felix Welsch, người cùng nghiên cứu luận án tiến sĩ, giải thích rằng: “Khi được nạp, một lượng nhiệt lớn tương đương khoảng 20 độ sẽ diễn ra, vì vậy quá trình này cũng có thể được sử dụng như một máy bơm nhiệt. Tùy thuộc vào hợp kim, công nghệ làm mát mới có thể cung cấp nhiệt hoặc năng lượng làm mát gấp 30 lần so với yêu cầu năng lượng cơ học để kéo và thả”.
Các phương pháp tối ưu hóa Các kỹ sư hiện đang thực hiện một số dự án để tối ưu hóa hơn nữa quá trình truyền nhiệt của máy làm mát, nhằm tăng hiệu suất hơn nữa: toàn bộ năng lượng từ các chuyển đổi pha sẽ được sử dụng hoàn toàn để làm mát hoặc sưởi ấm mà không bị thất thoát.
Hệ thống điều hòa không khí cho xe điện Mục tiêu mới nhất của nhóm giáo sư Seelecke là phát triển hơn nữa công nghệ nhiệt lượng đàn hồi để làm mát trong xe điện. Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã làm việc với các đối tác từ ngành công nghiệp và khoa học kể từ tháng 01.2022. Dự án chung có tên là “NEKKA – Phát triển hệ thống điều hòa bằng vật liệu đàn hồi nhiệt lượng mới”, do bộ Kinh tế và Công nghệ Liên bang tài trợ, với tổng ngân sách là 6 triệu Euro. Dự án của nhóm giáo sư Seelecke được tài trợ 01 triệu Euro. Kỹ sư Paul Motzki, cũng là một thành viên trong nhóm nghiên cứu, giải thích rằng: “Mục đích là để phát triển, mô phỏng và thiết lập một hệ thống điều hòa không khí thay thế cho các phương tiện giao thông. Hệ thống này sẽ liên tục cung cấp nhiệt sưởi và làm lạnh, đồng thời hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường và bền vững hơn các phương pháp trước đây. Ngoài ra, công nghệ nhỏ hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm chi phí hơn”.
Để xem các tin bài khác về “Nghiên cứu & Phát triển”, vui lòng nhấn vào đây.
(Nguồn: Hannover Messe)
