Onderzoekers ontwikkelen ‘plastic’ koudemiddel als mogelijke HFK-vervanger

15 april 2019

(expertbericht) Onderzoeksteams in China en Europa hebben onafhankelijk van elkaar een nieuw type koudemiddel ontwikkeld met een ‘barocalorisch’ effect. Het basismateriaal voor het middel bestaat uit kunststofkristallen.

Elektrocalorisch en magnetocalorisch materiaal reageert respectievelijk op een elektrisch of magnetisch veld door van fase te veranderen en daarbij warmte op te nemen en weer af te geven. Een probleem bij beide typen materialen is dat er een sterk (elektrisch dan wel magnetisch) veld aan te pas komt om het potentieel aan thermische capaciteit eruit te halen. Dat maakt toepassing duur en het toepassingsgebied beperkt. Dat geldt ook voor de meeste barocalorische materialen, oftewel vaste materialen die thermofysisch reageren op drukverandering. Onderzoekers hebben onlangs echter materiaal met een ‘kolossaal’ barocalorisch effect (CBCE / Colossal Barocaloric Effect) ontwikkeld.

Tegen elkaar drukken van moleculen
Dat ‘colossal’ effect wordt al bij een relatief lage druk en rond kamertemperatuur bereikt. Bij lage drukken zijn de moleculen van de stof zo ver van elkaar verwijderd dat ze ‘random’ posities innemen en het systeem een hoge entropie heeft. Deze fase van de cyclus is te vergelijken met die waarin koudemiddel in een conventioneel systeem gasvormig is. Als de druk wordt verhoogd, worden de moleculen tegen elkaar gedrukt, zodat ze niet meer onafhankelijk kunnen bewegen en het systeem een veel lagere entropie heeft. Door de grote daling in entropie komt er thermische energie vrij.
Dit is allerminst een nieuw principe, maar de ‘revolutie’ zit in de hoeveelheid energie die vrijkomt. Waar bij traditionele calorische materialen sprake is van een entropieverandering van enkele tientallen joules per kilogram per Kelvin (J kg^-1 K^-1) gaat het bij de nieuwe plastickristallen om een veelvoud daarvan. Volgens de onderzoekers kunnen waarden tot 600 J kg^-1 K^-1 worden bereikt.

Entropieverandering bij faseovergang
Zoals gemeld werd het materiaal door twee onderzoeksteams ontwikkeld die onafhankelijk van elkaar werkten. Beide teams baseerden hun koudemiddel op de stof neopentylglycol (NPG), een  basisbestanddeel van polyesterharsen. Het gaat hier dus om kunststof- of, in iets minder vriendelijke termen, plastickristallen. Bij faseverandering van de stof maten de Chinese onderzoekers een entropieverandering van 381 J kg^-1 K^-1. Hun Europese concullega’s (onder andere werkzaam op de Politechnische Universiteit van Catalonië in Barcelona, en de Universiteit van Cambridge) maten niet alleen de entropieverandering ten gevolge van de faseovergang van het materiaal, maar ook de entropieverandering die samenhangt met de verandering van het volume. Met die optelsom kwamen ze uit op 510 J kg^-1 K^-1. Dat is vergelijkbaar met de entropieverandering van HFK’s, en veel hoger dan die van de bekende elektro- en magnetocalorische materialen. Om tot deze waarde te komen, werkten de Europese onderzoekers overigens wel met hogere drukken dan de Chinezen.

Testen in de praktijk
Beide teams willen het barocalorisch materiaal nu ook in de praktijk buiten het lab testen. Het Chinese team werkt inmiddels concreet aan een prototype koelmachine om de efficiëntie van hun vinding in een praktijksituatie buiten het laboratorium te testen. Volgens critici is het daarbij de vraag hoe het gebruikte materiaal zich houdt als het in een cyclus wordt gebruikt waarbij het non-stop van fase verandert. Nader  onderzoek moet dit uitwijzen. Uiteindelijk moet uit verder onderzoek ook blijken of NPG-machines op termijn als alternatief voor HFK-systemen kunnen worden ingezet.

Op de website Arxiv.org kan het (Engelstalige en tamelijk technische) onderzoeksverslag van het Spaanse team gratis worden gedownload. Op Nature.com kan het onderzoeksverslag van het Chinese team tegen betaling worden gelezen.

Bron: Physicsworld.com