Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 PREDSTAVITEV 308 V sklopu ERC projekta SUPERCOOL (Superelastične porozne strukture za učinkovito elastokalorično hlajenje) smo raziskovalci Univerze v Ljubljani, Fakultete za strojništvo predstavili razvoj in delovanje novega koncepta tlačno obremenjenega elastokalorič- nega regeneratorja za uporabo v hladilnih napravah in toplotnih črpalkah prihodnosti. Razvit elastokalorični regenerator kot prvi na svetu izkazuje trajno dinamično delova- nje ter hkrati rekordne hladilne in grelne karakteristike, ki po svojih specifičnih lastno- stih presegajo vse do sedaj izdelane kalorične hladilne naprave na svetu. Raziskava je bila 20. septembra 2022 objavljena v prestižni reviji Joule (IF = 46,048). Doc. dr. Jaka Tušek, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo t rajno -dinamiČni elastokaloriČni regenerator z rekordnimi hladilnimi in grelnimi karakteristikami Jaka Tušek Mladi slovenski znanstveniki in raziskovalci so v svetu in seveda tudi doma vedno bolj uspešni, prodorni in prepoznavni. Delajo na zelo raznolikem področju. Veseli nas, da so številni, ki raziskujejo in ustvarjajo znanost tudi na strojniškem področju. Med temi jih kar nekaj, ki delujejo v okviru Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani. V naši reviji Ventil jih redno spremljamo, objavljamo njihove dosežke, poročamo o njihovih uspehih in opisujemo njihove raziskave. V tokratnem prispevku opisujemo zadnji dosežek doc. dr. Jaka Tuška in njegove raziskovalne skupine, ki so svoje dosežke že večkrat predstavil v uglednih mednarodnih revijah. Tokrat bomo predstavili njihov zadnji uspeh, ki so ga dosegli z raziskovalno razvojnim delom in dobljene rezultate objavili v prestižni mednaro- dni reviji Joule, ki je med bolj imenitnimi revijami s tega področja, saj ima faktor vpliva v bazi podatkov SCI (Science Cition Index) kar 46. Ta objava mladega znanstvenika doc. dr. Jaka Tuška in njegove ekipe je odmevala tudi v slovenski javnosti. O tem so poročali številni mediji. Med drugim je bil na radiu Val202 izbran za ime tedna. Izbor Imena tedna je celoletna oddaja, v kateri lahko poslušalci VAL-a 202 vsak teden glasujejo za tri kandidate in kandidatke, ki jih predlaga uredništvo. Uredništvo izbira med različnimi uspešnimi ljudmi. Najpogosteje so to športniki, včasih zdravniki, ljudje, ki se ukvarjajo s humanitarno dejavnostjo in redkeje znanstveniki. S svojim razisko- valnim znanstvenim delom je bil Jaka Tušek na omenjeni radijski postaji v zadnjih letih že dvakrat ime tedna. Doc. dr. Tušek je ob tej priložnosti za Val 202 povedal: »Gre za večletni razvoj, ki je vključeval številne strokovnjake z različnih področij, saj gre za zelo interdisciplinarno tematiko, ki zajema tako procesno strojništvo, konstruiranje, mehaniko kot znanost o materialih. V naslednjem letu bomo razviti elastoka- lorični regenerator implementirali v tako imenovani predindustrijski prototip, ki bo omogočal učinkovito obremenjevanje in razbremenjevanje elastokaloričnih regeneratorjev ter s tem okolju prijazno hlajenje in ogrevanje«. Uredništvo revije Ventil doc. dr. Jaku Tušku in njegovi skupini čestita in jim želi še nadaljnje uspehe pri njegovem raziskovalnem in znanstvenem delu. Uredništvo Članek je prosto dostopen na: https:/ /doi.org/10.1016/j. joule.2022.08.011 in https:/ /www.cell.com/joule/fulltext/ S2542-4351(22)00412-3. Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 Hlajenje, klimatizacija in ogrevanje so bistveni za so- dobno družbo. V zadnjem desetletju globalne zah- teve po hlajenju ter učinkovitem ogrevanju naraščajo eksponentno [1], a naša standardna parno-kompre- sijska tehnologija hlajenja in črpanja toplote je stara, relativno neučinkovita in še vedno uporablja okolju škodljiva hladilna sredstva. Zato je v zadnjem dese- tletju parno-kompresijska tehnologija hlajenja po- stala eden glavnih povzročiteljev učinka tople grede [2]. T o pomeni, da smo se znašli v nekem začaranem krogu, saj čim bolj se hladimo, bolj se bo segrevalo ozračje in večje bodo potrebe po hlajenju. Za pogon klimatskih naprav v ZDA že zdaj porabijo več elek- trike, kot je skupna poraba elektrike celotne Afrike. Ocenjuje se, da bo do sredine stoletja število klimat- skih naprav po svetu iz današnjih 1,6 milijard narastlo na 5,6 milijard. S takšnim tempom naraščanja potreb po hlajenju bo raba energije za hlajenje leta 2060 presegla skupno rabo energije za ogrevanje. Do kon- ca stoletja jo bo presegla za več kot 60 % [1]. Med alternativnimi tehnologijami v zadnjih letih velik potencial izkazuje elastokalorična tehnologija hla- jenja in ogrevanja, ki temelji na izkoriščanju elasto- kaloričnega učinka med cikličnim obremenjevanjem materialov z oblikovnim spominom. Ko primeren material z oblikovnim spominom oziroma tako ime- novan elastokalorični material (npr. zlitina Ni-Ti) z zunanjo silo obremenimo, se njena kristalna rešetka transformira iz avstenitne v martenzitno fazo. To je eksotermen proces, pri čemer se iz materiala sprosti latentna toplota, kar pri hitrem obremenjevanju (v bližini adiabatnih razmer) povzroči njegovo segre- vanje (Slika 1). Do obratnega endotermnega procesa pride, ko material razbremenimo. Pri tem pride do povratne transformacije iz martenzitne v avsteni- tno fazo, kar pri hitrem razbremenjevanju privede do ohlajanja materiala (pod začetno temperaturo). Ciklično obremenjevanje / segrevanje ter razbreme- njevanje / ohlajanje elastokaloričnega materiala lah- ko izkoristimo za aktivno hlajenje oziroma ogrevanje (črpanje toplote). Elastokalorični materiali so okolju popolnoma neškodljivi, poleg tega pa je elastokalo- rična tehnologija lahko potencialno bolj učinkovita od parno-kompresijske. Pred nekaj leti je Ameriško ministrstvo za energijo med vsemi poznanimi alter- nativnimi tehnologijami hlajenja prav elastokalorično tehnologijo izbralo kot tisto, ki ima največji poten- cial, da v prihodnosti zamenja parno-kompresijsko tehnologijo hlajenja [3]. Ena glavnih omejitev elastokalorične tehnologije, ki trenutno preprečuje komercialno uporabo, je omeje- na življenjska doba materialov z oblikovnim spomi- nom med cikličnim obremenjevanjem. Ocenjuje se, da mora v 10-letni življenjski dobi elastokalorična na- prava opraviti več kot 10 milijonov obremenitev [4]. V osnovi lahko elastokalorični učinek generiramo z nateznim ali tlačnim obremenjevanjem elastokalorič- nih materialov [5]. Glavna prednost nateznega obre- menjevanja je možnost uporabe tankih struktur (žic ali ploščic), ki omogočajo hiter in učinkovit prenos toplote med elastokaloričim materialom in medi- jem za prenos toplote, medtem ko je glavna slabost kratka življenjska doba natezno obremenjenih ela- stokaloričnih elementov. Znano je, da je lahko doba trajanja tlačno obremenjenih elementov zaradi pre- prečevanja rasti razpok med samim tlačnim obreme- njevanjem bistveno daljša kot pri nateznem obreme- njevanju [6]. Problem nastane, ker tankih struktur, ki omogočajo hiter in učinkovit prenos toplote, zaradi uklona ni možno tlačno obremeniti. Tu prihaja do izziva, kako izdelati elastokalorično napravo (rege- nerator), ki bo zaradi zahteve po trajnodinamičnem delovanju tlačno obremenjena in bo hkrati omogo- čala hiter in učinkovit prenos toplote, kar je pogoj za doseganje dobrih hladilnih / toplotnih karakteristik. Kot odgovor na ta izziv smo raziskovalci Univerze v Ljubljani, Fakultete za strojništvo zasnovali in izdelali nov koncept elastokaloričnega regeneratorja, ki te- melji na tankostenskih cevkah zlitine Ni-Ti (Slika 2) [7]. Tankostenske cevke so se namreč izkazale kot 309 PREDSTAVITEV Slika 1 : Prikaz elastokaloričnega učinka Ni-Ti cevke, merjenega z IR kamero, kjer se vidi segrevanje mate- riala med obremenjevanjem (levo) ter ohlajanje med razbremenjevanjem (desno) Slika 2 : Slika cevnega elastokaloričnega regeneratorja Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 PREDSTAVITEV 310 najboljši kompromis med strukturno stabilnostjo ob tlačnem obremenjevanju ter prenosom toplote [8, 9]. Razviti tlačno obremenjeni elastokalorični rege- nerator lahko deluje kot hladilnik ali kot toplotna čr- palka in izkazuje trajno dinamično delovanje (preko 300.000 obremenitvenih ciklov brez poškodbe ali poslabšanja delovanja). Regenerator je dosegel 31,3 K temperaturnega razpona (Slika 3) ter preko 60 W hladilne / toplotne moči, kar glede na to, da upo- rablja zgolj 13,7 g elastokaloričnega materiala, pred- stavlja 4400 W na kg elastokaloričnega materiala. Glede na skupne specifične hladilne in toplotne ka- rakteristike (na enoto mase uporabljenega materia- la) razviti elastokalorični regenerator presega vse do sedaj izdelane kalorične naprave na svetu, kar odpira vrata nadaljnjemu razvoju elastokalorične tehnologi- je za številne aplikacije, kot so klimatske naprave, to- plotne črpalke in večji hladilni sistemi. Literatura [1] Isaac, M., van Vuuren, D. P. (2009). Modeling global residential sector energy demand for heating and airconditioning in the context of climat echange. Energy Policy 37, 507–521. [2] Coulomb, D., Dupont, J.-L., Marlet, V. (2017). The Impact of the Refrigeration Sector on Climate Change, 35th Informatory Note on Refrigeration Technologies. [3] Goetzler, W., Zogg, R., Young, J., Johnson, C. (2014). Energy savings potential and RD& D opportunities for Non-vapor-compression HVAC technologies. US Dep. Energy 3673. [4] Cui, J., Wu, Y., Muehlbauer, J., Hwang, Y., Ra- dermacher, R., Fackler, S., Wuttig, M., Take- uchi, I. (2012). Demonstration of high efficien- cy elastocaloric cooling with large D Tusing NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101, 73904. [5] Kabirifar, P., Žerovnik, A., Ahčin, Ž., Porenta, L., Brojan, M., Tušek, J. (2019). Elastocaloric cooling: state-of-the-art and future challeng- es in designing regenerative elastocaloric de- vices. J. Mech. Eng. 65, 615–630. [6] Hou, H., Cui, J., Qian, S., Catalini, D., Hwang,Y., Radermacher, R., Takeuchi, I. (2018). Over- coming fatigue through compression for ad- vanced elastocaloric cooling. MRS Bull 43, 285–290. [7] Ahčin, Ž., Dall’Olio, S., Žerovnik, A., Žvar Baškovič, U., Porenta, L., Kabirifar, P., Cerar, J., Zupan, S., Brojan, M., Klemenc, J., Tušek, J. (2022). High-performance cooling and heat pumping based on fatigue-resistant elasto- caloric effect in compression. Joule 6, 1–20. [8] Porenta, L., Kabirifar, P., Žerovnik, A., Čebron, M., Žužek, B., Dolenec, M., Brojan, M.,Tušek, J. (2020). Thin-walled Ni-Ti tubes under com- pression: ideal candidates for efficient and fatigue-resistant elastocaloric cooling. Appl. Mater. Today 20, 100712. [9] Ahčin, Ž., Liang, J., Engelbrecht, K.,Tušek, J. (2021). Thermo-hydraulic evaluation of oscillating-flowshell-and-tube-like regenera- tors for (elasto)caloric cooling. Appl.Therm. Eng. 190, 116842. Slika 3 : Shematski prikaz cevnega elastokaloričnega regeneratorja (zgoraj levo); prikaz razvoja temperaturnega razpona med toplo in hladno stranjo regeneratorja, ko regenerator deluje kot toplotna črpalka (zgoraj desno); prikaz delovanja elastokaloričnega regeneratorja, posnetega s IR kamero od začetnih do stacionarnih pogojev (spodaj).