Solid state cooling with elastocaloric materials (Coolem)

Rundt 20% av verdens elektrisitet brukes til kjøling, og forbruket øker raskt. Dagens varmepumper og kjøleskap er basert på gammel teknologi med lav ytelseskoeffisient (coefficient of performance, COP). De er dessuten basert på støyende kompressorer og arbeidende fluider som kan være skadelige og lekke til miljøet. Dette er i ferd med å endre seg, som en del av en stille revolusjon: Oppfinnelser som går tilbake til den første industrielle revolusjonen, som forbrenningsmotorer og glødelamper, blir erstattet av alternativer basert på faststoffteknologi. Eksempler på dette finner vi i elektriske motorer og LED-belysning. En lignende trend kan forventes for varmepumper: Kompressorbaserte enheter vil bli erstattet av mer effektive og pålitelige faststoffteknologier basert på fysiske mekanismer som magnetokaloriske, elektrokaloriske og elastokaloriske effekter. Disse kan konvertere magnetisk, elektrisk eller mekanisk energi til varmestrømmer, dvs. kjøling ved hjelp av materialer. Dette kan ha stor effekt: Å oppgradere kjøleteknologi har blitt identifisert som det enkelttiltaket som kan gi størst reduksjon i utslipp av drivhusgasser globalt (Project Drawdown). Prosjektet har som mål å utvikle nye elastokaloriske materialer med fremragende kjøleeffekt. Avanserte eksperimentelle og teoretiske verktøy brukes til dette, til dels i nært samarbeid med partnere i utlandet. Tre ulike materialgrupper er studert, med litt forskjellig fokus: 1. Legeringer av Cu, Al og Mn studeres for å forstå hvordan korngrenser i materialene påvirker egenskapene under gjentatte sykluser av mekanisk stress. Pilarer rundt én mikrometer i diameter er blitt utsatt for mikromekanisk testing, og detaljerte studier av slike pilarer er utført med transmisjonselektronmikroskopi. Dette sammenholdes med resultater fra kontinuumsmekanikk og atomskalamodellering. 2. Kvaternære legeringer (som består av fire grunnstoff) basert på TiNi studeres ved å deponere tynne filmer med gradert sammensetning på et strukturert underlag. Dette brukes til å undersøke faseendringstemperaturer og mekaniske egenskaper som en funksjon av sammensetningen. Målet er å utvikle materialer som kan fungere ved flere forskjellige temperaturer, og gir en kaskade av forskjellige elastokaloriske materialer som til sammen gir en stor kjøleeffekt. De foreløpige resultatene har gitt innspill til hvordan deponeringen bør endres for å gi optimal sammensetning av de tynne filmene. 3. Bulkmaterialer av Cu, Al og Zn lages med forskjellige mikrostrukturer (enkeltkrystaller, polykrystaller og deformerte krystaller) for systematisk å undersøke hvordan reversibiliteten til slike materialer avhenger av mikrostrukturen. Metoder som benyttes er blant annet mikromekanisk testing, røntgendiffraksjon, elektronmikroskopi og kalorimetri av faseovergangene.

The Cool'em project aims to develop a superior cooling technology based on the elastocaloric effect. This is based on a thermodynamic cycle in which solid state phase transformations release and absorb heat. The transformations are between a high-symmetry austenite and low-symmetry martensite phase. Long-term operation without loss or fatigue is a prerequisite of a functioning cooling device; we coin this as superreversibility. This can be achieved by so-called supercompatibility of the two phases, which is described by mathematical correlations between their lattice parameters. Optimized microstructure is an alternative path, in which advanced processing is used to maximize reversibility of the phase transformation. An important goal of Cool'em is to identify new superreversible materials with a high cooling coefficient of performance (COP). A larger selection of superreversible materials will open up new temperature regimes for elastocaloric cooling, will increase the maximal COP, and will facilitate the search for a cascaded cooling device. This allows very high overall COP and a large temperature difference between the cold and warm side. In order to accomplish these very ambitious goals, a carefully selected set of tools will be employed or developed. The latest available theoretical tools will be used to predict new, supercompatible martensitic phase transformations and elastocaloric materials with very high COP. A range of advanced synthesis and processing techniques will be used to vary and optimize the microstructure of selected compounds. State-of-the-art characterization and testing tools will be used to establish correspondence between processing parameters and functional behaviour. Digitalization of experiments will speed up and target the fabrication of materials towards optimal ones. All aspects of the activities will pursue the principles of Responsible Research and Innovation through integration of this in all work packages.