Исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, разработали новую, легко изготавливаемую технологию твердотельного термоэлектрического охлаждения с использованием наноматериалов, которая в два раза эффективнее устройств, изготовленных из имеющихся в продаже объемных термоэлектрических материалов.
Поскольку во всем мире растет спрос на более энергоэффективные, надежные и компактные решения для охлаждения, это достижение предлагает масштабируемую альтернативу традиционному компрессорному охлаждению.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, группа исследователей из APL и инженеров-холодильщиков из Samsung Electronics продемонстрировала повышение эффективности и производительности теплового насоса в холодильных системах за счет использования высокопроизводительных нанотехнологических термоэлектрических материалов, изобретенных в APL и известных как управляемые иерархически спроектированные сверхрешеточные структуры (CHESS).
Технология CHESS является результатом 10 лет исследований APL в области передовых нанотехнологических термоэлектрических материалов и разработки приложений.
Первоначально разработанный для приложений национальной безопасности, материал также использовался для неинвазивной охлаждающей терапии для протезирования и получил награду R&D 100 в 2023 году.
«Эта реальная демонстрация охлаждения с использованием новых термоэлектрических материалов демонстрирует возможности тонких пленок CHESS, созданных с помощью нанотехнологий », — сказал Рама Венкатасубраманян, главный исследователь совместного проекта и главный технолог по термоэлектричеству в APL.
«Это знаменует собой значительный скачок в технологии охлаждения и закладывает основу для воплощения достижений в области термоэлектрических материалов в практичные, крупномасштабные, энергоэффективные холодильные решения».
Новый эталон твердотельного охлаждения Стремление к более эффективным и компактным технологиям охлаждения обусловлено рядом факторов, включая рост населения, урбанизацию и растущую зависимость от передовой электроники и инфраструктуры данных.
Обычные системы охлаждения, хотя и эффективны, часто громоздки, энергоемки и зависят от химических хладагентов, которые могут быть вредны для окружающей среды.
Термоэлектрическое охлаждение широко рассматривается как потенциальное решение.
Этот метод охлаждения использует электроны для перемещения тепла через специализированные полупроводниковые материалы, устраняя необходимость в движущихся частях или вредных химикатах, что делает эти холодильники следующего поколения тихими, компактными, надежными и устойчивыми.
Объемные термоэлектрические материалы используются в небольших устройствах, таких как мини-холодильники, но их ограниченная эффективность, низкая тепловая мощность и несовместимость с масштабируемым производством полупроводниковых кристаллов исторически препятствовали их более широкому использованию в высокопроизводительных системах.
В ходе исследования ученые сравнили холодильные модули, в которых используются традиционные объемные термоэлектрические материалы, с модулями, в которых используются тонкопленочные материалы CHESS, в стандартизированных испытаниях на охлаждение, измеряя и сравнивая электрическую мощность, необходимую для достижения различных уровней охлаждения в одних и тех же системах испытаний коммерческих холодильников.
Группа специалистов по холодильному оборудованию из Samsung Electronics под руководством инженера-материаловеда Сонджина Юнга сотрудничала с APL для проверки результатов с помощью детального теплового моделирования, количественной оценки тепловых нагрузок и параметров теплового сопротивления, чтобы обеспечить точную оценку производительности в реальных условиях.
Результаты оказались поразительными: используя материалы CHESS, команда APL добилась почти 100%-ного повышения эффективности по сравнению с традиционными термоэлектрическими материалами при комнатной температуре (около 80 градусов по Фаренгейту, или 25°C).
Затем они преобразовали эти достижения на уровне материалов в почти 75%-ное повышение эффективности на уровне устройств в термоэлектрических модулях, созданных с использованием материалов CHESS, и 70%-ное повышение эффективности в полностью интегрированной системе охлаждения, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с современными объемными термоэлектрическими устройствами.
Эти испытания проводились в условиях, которые включали значительную перекачку тепла для имитации практической работы.
Создано в масштабе Помимо повышения эффективности, тонкопленочная технология CHESS использует значительно меньше материала — всего 0,003 кубических сантиметра, или примерно размер песчинки, на холодильную установку.
Это сокращение материала означает, что термоэлектрические материалы APL могут производиться массово с использованием инструментов для производства полупроводниковых чипов, что повышает эффективность затрат и обеспечивает широкое внедрение на рынке.
«Эта тонкопленочная технология имеет потенциал для развития от питания небольших холодильных систем до поддержки крупных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях, подобно тому, как литий-ионные аккумуляторы были масштабированы для питания таких устройств, как мобильные телефоны, и таких больших, как электромобили», — сказал Венкатасубраманьян.
Кроме того, материалы CHESS были созданы с использованием хорошо зарекомендовавшего себя процесса, который обычно применяется для производства высокоэффективных солнечных элементов, используемых для питания спутников и коммерческих светодиодных фонарей.
«Для производства материалов CHESS мы использовали метод химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), который хорошо известен своей масштабируемостью, экономической эффективностью и способностью поддерживать крупносерийное производство», — сказал Джон Пирс, старший инженер-исследователь, возглавляющий направление развития MOCVD в APL.
«MOCVD уже широко используется в коммерческих целях, что делает его идеальным для масштабирования производства тонкопленочных термоэлектрических материалов CHESS».
Эти материалы и устройства продолжают демонстрировать перспективность для широкого спектра приложений по сбору энергии и электроники в дополнение к последним достижениям в области охлаждения.
APL планирует продолжить сотрудничество с организациями для усовершенствования термоэлектрических материалов CHESS с акцентом на повышение эффективности до уровня традиционных механических систем.
Будущие усилия включают демонстрацию более масштабных холодильных систем, включая морозильники, и интеграцию методов на основе искусственного интеллекта для оптимизации энергоэффективности при раздельном или распределенном охлаждении в холодильном и климатическом оборудовании.
«Помимо охлаждения, материалы CHESS также способны преобразовывать разницу температур, например, тепло тела, в полезную энергию», — сказал Джефф Маранчи, менеджер исследовательской программы в исследовательском и опытно-конструкторском отделе APL.
«Помимо совершенствования тактильных систем, протезирования и человеко-машинных интерфейсов нового поколения, это открывает двери для масштабируемых технологий сбора энергии для приложений от компьютеров до космических аппаратов — возможностей, которые были невозможны с использованием старых громоздких термоэлектрических устройств».
«Успех этого совместного проекта демонстрирует, что высокоэффективное твердотельное охлаждение не только научно обосновано, но и может быть произведено в больших масштабах», — заявила Сьюзан Эрлих, менеджер по коммерциализации технологии APL.
«Мы с нетерпением ждем продолжения исследований и возможностей передачи технологий компаниям, поскольку мы работаем над воплощением этих инноваций в практические, реальные приложения».
Рубрика: Технологии и Наука. Читать весь текст на android-robot.com.
«Пшикаю» на садовые дорожки — и «сжигаю» за раз все сорняки: за одни сутки засыхают даже пырей и молочай «Пшикаю» на садовые дорожки — и «сжигаю» за раз все сорняки: за одни сутки засыхают даже пырей и молочайСорняки больше не испортят ваш урожай: просто...
В ГАИ наконец поставили жирную точку: до какого возраста можно водить машину — пенсионерам указали на действующие ограничения В ГАИ наконец поставили жирную точку: до какого возраста можно водить машину — пенсионерам указали на действующие ограниченияГосавтоинспекция официал...
Видеоигра Fortnite возвращается в магазин приложений iPhone в США Популярная видеоигра Fortnite вернулась в магазин приложений для iPhone в США, положив конец длительному изгнанию, вызванному юридическим разбиратель...
Google добавляет рекламу в поиск ИИ в битве ChatGPT Google заявила, что начинает встраивать рекламу в свой новый режим искусственного интеллекта для онлайн-поиска. Это стратегический шаг, призванный пр...
56-летняя Рене Зеллвегер и её 46-летний жених Ант Энстид расстались 56-летняя Ренне Зеллвергер рассталась со своим 46-летним бойфрендом Антом Энстидом, сообщает Daily Mail со ссылкой на источники в окружении пары. По ...
Латвия запретила Даниле Козловскому въезд в страну Даниле Козловскому запретили въезд в Латвию. Об этом сообщила глава МИДа страны Байба Браже на своей странице в социальной сети X (бывший Twitter).Со...
Александр Овечкин вернётся в Россию после завершения карьеры в НХЛ в 2026 году Александр Овечкин, который недавно побил исторический рекорд НХЛ, планирует вернуться в Россию после завершения карьеры в "Вашингтон Кэпиталз". Об эт...
"Могу быть кошечкой или дикой львицей". Сотни эскортниц приедут на ПМЭФ-2025 Сотни эскортниц приедут на предстоящий Петербургский международный экономический форум (ПМЭФ): они уже регистрируют свои анкеты в специальных группах...
Новый ресурс для любителей спортивных соревнований Любителям активного образа жизни стал доступен новый информационный портал - Сравни спортивные новости. Платформа предлагает актуальные сводки, анали...
Где смотреть матчи НБА, КХЛ и других видов спорта? Сегодня болельщики имеют доступ к спортивным трансляциям с любой точки мира, что связано с постоянным развитием цифровых технологий. Чтобы не пропуст...
Политический деятель и меценат Игорь Пушкарев Игорь Пушкарев – это имя, которое знакомо каждому, кто следит за политической и деловой жизнью России. Этот выдающийся политик, предприниматель, канд...
Председатель ВЭБ.рф Игорь Шувалов Функционал ВЭБ.РФ регламентируется федеральным законом «О государственной корпорации развития ВЭБ.РФ» и подчинён задаче поддержки экономического разв...
Аппаратная замена масла акпп Аппаратная замена масла в АКПП предполагает полную замену масла для поддержания работы АКПП и продления срока её эксплуатации. К основным преимуществ...
Специальная мойка Чистый воздух Чистый воздух В мире загрязнение воздуха становится всё более актуальной проблемой, обеспечение чистоты является серьезной задачей. Чтобы улучшить ка...
Россиянам существенно сократили выдачу кредитных карт Количество новых выданных кредитных карт в январе — апреле 2025 года составило 4,35 млн единиц. По данным Национального бюро кредитных историй (НБКИ)...
В Сбере рассказали, за сколько сейчас можно купить самое доступное жилье в Москве Самое доступное жилье в Москве на вторичном рынке можно купить за 3,2 млн рублей. К такому выводу пришли эксперты сервиса Сбера «Домклик», проанализи...
Аппаратная замена масла акпп Аппаратная замена масла в АКПП предполагает полную замену масла для поддержания работы АКПП и продления срока её эксплуатации. К основным преимуществ...
Специальная мойка Чистый воздух Чистый воздух В мире загрязнение воздуха становится всё более актуальной проблемой, обеспечение чистоты является серьезной задачей. Чтобы улучшить ка...
Появились новые фото со свадьбы Насти Ивлеевой и Филиппа Бегака Настя Ивлеева показала новые фотографии со своей свадьбы с предпринимателем и телеведущим Филиппом Бегаком. Снимки 34-летняя блогерша опубликовала в ...
"Это не то что он куда-то её пропихнул". Соседка Ирины Шейк рассказала, как они вместе жили в Москве и с кем она встречалась Ирина Шейк до того, как стать супермоделью, жила в Москве на съёмной квартире с другими манекенщицами и встречалась с директором модельного агентства...
Том Брэди опубликовал новые фото с подросшими детьми от Жизель Бундхен Том Брэди опубликовал в инстаграме* новые фото с повзрослевшими детьми от бывшей жены Жизель Бундхен.Подборка снимков была посвящена недавним путешес...
Королевская семья готовила план на случай смерти Кейт Миддлтон от рака. Название для него придумал принц Уильям Британская королевская семья готовила план действий на случай смерти Кейт Миддлтон от рака. Протокол получил кодовое название, придуманное её мужем, ...
Skyworth запускают продажи первых в мире телевизоров с функцией AI Karaoke Главной особенностью новинок является функция Karaoke на базе искусственного интеллекта, впервые интегрированная в телевизор. Технология Al Vocal Rem...
HONOR представил серию 400_400 Pro в Китае рекордная батарея 7200 мАч, мощный процессор и защита по стандартам IP69+IP69 В Шэньчжэне состоялась презентация новой серии HONOR 400, в рамках которой бренд HONOR, мировой лидер в создании экосистемы устройств с искусственным...
Молодежный экофестиваль состоялся в Петербурге на полях НМЭК Санкт-Петербург стал центром притяжения молодых экоактивистов и экспертов: 21 мая здесь прошел масштабный Молодежный экофестиваль «Росатом Экофе...
Воробьёв предложил масштабировать подмосковный сервис подключения объектов к сетям на всю страну По сообщению пресс-службы правительства Подмосковья, инициатива была представлена на заседании президиума Госсовета под председательством президента ...
Как безопасно купить автомобиль: особенности и этапы, плюсы обращения в DSS Group Покупка автомобиля – всегда радостное и в то же время волнительное событие, к реализации которого нужно подходить серьезно и основательно. Чтобы выбр...
Рефинансирование кредитной карты: ключевые преимущества, основные этапы процедуры Кредитные карты являются удобными инструментами, дающими возможность распоряжаться денежными средствами по мере необходимости. Однако вследствие непр...
Аналитики оценили состояние банка, через который получает зарплату Путин Аналитическое кредитное рейтинговое агентство подтвердило кредитный рейтинг банка «РОССИЯ» на уровне «АА-(RU)». Прогноз по рейтингу — «стабильный».Ак...
ЕГЭ-2025: правила, которые нужно знать Факт✉️В 2025 году порядок проведения ЕГЭ остался прежним, но усилились требования к безопасности. Это сделано, чтобы минимизировать нарушения и обесп...
Где купить цифровую видеокамеру в Москве? Все цифровые камеры создают цифровые изображения, которые можно сохранить при необходимости на компьютере. Они выполняют быструю съемку и передачу из...
Расход воды в системах очистки: особенности работы мембранной фильтрации Современные технологии водоподготовки позволяют получать питьевую воду превосходного качества. Наиболее эффективным методом считается обратный осмос,...