الطاقة
وداعًا، المبرّدات! رؤى جديدة حول التبريد الصلب قد تُعيد تشكيل طريقتنا في التعامل مع الاحتياجات الحرارية في الإلكترونيات
المبرّدات كانت واحدة من أبرز السمات التي تُعرّف عالمنا التكنولوجي الحديث. بفضل المبرّدات نستطيع حفظ الطعام، ونقله من مكان إلى آخر، وجعل المواد القابلة للتلف صالحة للاستهلاك لفترة أطول.
سوق منتجات المبرّدات يتوسع وسيستمر في النمو، وفقًا لتقديرات السوق. البيانات المتاحة تشير إلى أن القيمة الإجمالية لمنتجات المبرّدات حول العالم كانت 20.05 مليار دولار أمريكي في عام 2022، ويمكن أن ترتفع إلى 36.77 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030، أي أكثر من 1.8 مرة خلال ثماني سنوات.
مع ذلك، لا يعني النمو في سوق المبرّدات أن الصناعة أصبحت راكدة. في الواقع، لا تمنع الزيادة في المبيعات وتوسّع السوق الابتكار. بل إن هذا النمو غالبًا ما يدفع بتطوير تقنيات ومقاربات جديدة. جهود بحثية حديثة بقيادة مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة أدت إلى فهم علمي جديد قد يساعد في تحقيق التبريد الصلب.
في الفقرات التالية، سنغوص أعمق لفهم هذه الظاهرة بشكل أفضل.
النموذج التحويلي للتبريد الصلب
الإنجاز الأساسي لفريق الباحثين هو ردم الفجوة المعرفية في علم حركة الحرارة على المستوى الذري. على مستوى أكثر عملية، يستند نجاح البحث إلى فهم أعمق للمواد والأجهزة.
المادة في هذه الحالة هي سبيكة ذاكرة شكل مغناطيسية من النيكل‑الكوبالت‑المنغنيز‑الإنديوم يمكن تشويهها ثم إعادتها إلى شكلها الأصلي عبر دفعها خلال تحول طور إما بزيادة الحرارة أو بتطبيق مجال مغناطيسي.
أما الجهاز، فيتكون من مجموعة من أدوات انتشار النيوترونات التي يمكنها فحص المادة على المستوى الذري.
كيف ظهرت المادة كمرشح مثالي للتبريد الصلب
أظهر التجربة أن سبيكة الذاكرة الشكلية المغناطيسية من النيكل‑الكوبالت‑المنغنيز‑الإنديوم يمكن دفعها عبر تحول طور عن طريق زيادة الحرارة أو تطبيق مجال مغناطيسي.
عند تعريضها لمجال مغناطيسي، خضعت المادة لتحول طور هيكلي ومغناطيسي: امتصت وأطلقت الحرارة، بعبارة أبسط. هذا التأثير هو جوهر ظاهرة التبريد الصلب. بعبارة أخرى، يستغل التبريد الصلب هذا التأثير لتوفير التبريد.
في آلية التبريد هذه، تصل المادة إلى ما يُعرف بالحالة الزجاجية الفروية، مما يعزز قدرتها على تخزين وإطلاق الحرارة.
أثناء شرح العلم وراء التجربة، قال مايكل مانلي، الباحث الأول في مجموعة انتشار النيوترونات والأشعة السينية في ORNL، ما يلي:
“تظهر انتشارات النيوترونات أن قدرة التبريد للسبيكة الذاكرة الشكلية المغناطيسية تتضاعف ثلاث مرات بفضل الحرارة المحتواة في أوضاع الهجين الماغنون‑فونون المحلية التي تتشكل بسبب الفوضى في النظام. هذا الاكتشاف يفتح مسارًا لصنع مواد أفضل لتطبيقات التبريد الصلب لتلبية احتياجات المجتمع.”
انقر هنا لتتعرف على كيف يمكن للتبريد الإشعاعي أن يساعدنا في مكافحة تغير المناخ.
أوضاع الهجين الماغنون‑فونون
الماغنون والفونون يُعرفان أيضًا بأمواج الدوران والاهتزازات. يتواجدان كزوج في المادة في أشكال رقص متزامن في مناطق صغيرة موزّعة عبر الترتيب غير المنتظم للذرات. نمط سلوك الأوضاع الهجينة الماغنون‑فونون الإقليمية له تداعيات حاسمة على الخصائص الحرارية للمادة.
مُوضحًا لتداعيات هذه الأوضاع وحركاتها، أضاف مانلي:
“التفاعلات طويلة وقصيرة المدى تتجلى كاهتزازات محلية وأمواج دوران، مما يعني أنها تُحبس في مناطق صغيرة. هذا مهم لأن هذه الحالات الاهتزازية المحلية الإضافية تخزن الحرارة. تغيير المجال المغناطيسي يُطلق تحول طور آخر تُطلق فيه هذه الحرارة.
بشكل عام، فتحت التجربة آفاقًا جديدة في بحوث التبريد الصلب من خلال إظهار أن التحكم المناسب في وظائف سبيكة الذاكرة الشكلية المغناطيسية يمكن أن تحولها إلى إسفنجة حرارية وتجهّزها لتبريد صلب فعال دون الحاجة إلى المبرّدات التقليدية أو المكوّنات الميكانيكية.
بينما يُعد هذا البحث اختراقًا واضحًا، يجب دائمًا تذكّر أن التبريد الصلب ليس ظاهرة حديثة. نظريًا، توجد الظاهرة منذ عام 1834، عندما اكتشف الفيزيائي الفرنسي جان شارل أثاناس بيلتييه تأثير بيلتييه.
في الفقرة القادمة، سنلقي نظرة سريعة على ظاهرة تأثير بيلتييه ومبردات الطاقة الحرارية التي تستغل تأثير بيلتييه.
نشأة التبريد الصلب ومبردات الطاقة الحرارية
علميًا، يُعرّف تأثير بيلتييه بأنه “الظاهرة التي فيها موصل، يُحافظ على درجة حرارة ثابتة ويتدفق التيار الكهربائي عبره، يولّد تيارًا حراريًا. يساعد هذا التيار الحراري على نقل الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي بعيدًا.”
بعبارة أخرى، ينشأ تأثير بيلتييه من حالة يمر فيها التيار الكهربائي عبر الوصلة التي تربط مادتين، حيث يُصدر أو يمتص حرارة لكل وحدة زمنية عند الوصلة لموازنة الفرق في الجهد الكيميائي للمادتين. T
يساعد تأثير بيلتييه على صياغة ثلاجة إلكترونية تُعرف بمبرد بيلتييه. مبردات بيلتييه تُعرف أيضًا بمبردات الطاقة الحرارية التي تتكوّن من مجموعة من المواد شبه الموصلة، مكوّنة من بيسمول التيلوري، موصلة على التوالي ومُحاطة بصفائح خزفية.
مع مرور التيار المستمر عبر TEC، تنتقل الإلكترونات في المادة شبه الموصلة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، حاملةً الحرارة معها و مما يجعل أحد جانبي الجهاز يبرد بينما يسخن الجانب الآخر.
السبب وراء استمرار المجتمع العلمي في مناقشة ظاهرة التبريد الصلب واهتمامه باستكشافها هو أنها تحمل العديد من الفوائد والتطبيقات الواقعية. سنستعرض هذه المزايا والتطبيقات في الفقرات القادمة.
العديد من الفوائد والتطبيقات للتبريد الصلب
قد يصبح التبريد الصلب أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنة بأنظمة التبريد التقليدية لأنها قادرة على تحويل نسبة أعلى من الطاقة الكهربائية إلى طاقة تبريد.
كما أنها أكثر توافقًا للدمج عند التعامل مع مصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الألواح الشمسية. إلى جانب امتلاكها بصمة كربونية منخفضة، لا يساهم التبريد الصلب في استنزاف طبقة الأوزون وبالتالي فهو أكثر صداقة للبيئة مقارنةً بالمبرّدات أو تقنيات التبريد القائمة على السوائل.
يسجل التبريد الصلب أيضًا درجات عالية في نواحي الموثوقية والمتانة. نظرًا لأنها تتكوّن من لا أجزاء متحركة ولا سوائل متدفقة، فإنها تتعرض لأعطال ميكانيكية أقل وتحتاج إلى صيانة أقل. يمكن للعديد من الأجهزة المنزلية الاستفادة من تقنية التبريد الصلب.
بعض أمثلة هذه الأجهزة تشمل الثلاجات، مكيفات الهواء، أو مبردات النبيذ. هناك نقاش متزايد حول كيفية استخدام التبريد الصلب في السيارات الكهربائية والهجينة لتبريد البطاريات والمكوّنات الأخرى. يمكن أن يساهم ذلك في تحسين الأداء وزيادة المدى.
يُعتبر آلية التبريد الصلب أيضًا مناسبة كبديل لنظام تبريد المقصورة في السيارات الحديثة. دراسة علمية بحثت في جدوى نظام تكييف هوائي للسيارات يستخدم التبريد الصلب. أظهرت النتائج أن تطبيق أجهزة تبريد TE صغيرة ومرنة يوفر إمكانيات أكبر لنظام تكييف هوائي فعال للسيارات.
كما درست الدراسة أيضًا ملفات السرعة وملفات الحرارة لتبريد TE المحلي المصمم لتحسين راحة الإنسان عبر توفير تدفق هوائي موحد داخل المقصورة. تم الحصول على تحسين قدره تقريبًا 9% عندما تم مقارنة هذا الترتيب بالنظام التبريدي التقليدي من حيث راحة الإنسان.
العديد من الفوائد والتطبيقات للتبريد الصلب ألهمت الشركات لاستثمار البحث والموارد في تقنيات التبريد الصلب والطرق.
في الفقرات التالية، سنناقش بعض هذه الشركات وحلولها المحددة.
#1. CUI Devices
تُعرف CUI Devices بمجموعة أجهزتها من مبردات بيلتييه. تقدم مجموعة من الوحدات الأحادية المرحلة لمبردات بيلتييه، ووحدات بيلتييه متعددة المراحل، ووحدات تبريد بيلتييه.
وحدة التبريد بيلتييه CPM-2F بقدرة 6.0 أمبير، على سبيل المثال، تأتي مع هيكل ختم محسّن لمقاومة الماء وامتصاص الإجهاد الحراري. يمكن تركيبها بسهولة وتلبي احتياجات التطبيقات الصناعية عالية الكثافة وعالية القدرة والتبريد.
كما أن الشركة تمتلك نموذجين إضافيين، CPM-2C و CPM-2H، يقدمان خدمات مثالية عند مستويات 7 و 8.5 أمبير، على التوالي.
إذا نظرنا إلى الملف العام للمنتجات لشركة CUI Devices في هذا المجال، فهي تحمل مجموعة من الوحدات الأحادية والمتعددة المراحل بالإضافة إلى وحدات تبريد بيلتييه، تتراوح أحجامها من 3.4 إلى 70 مم مع ملفات بارتفاع منخفض يصل إلى 1.95 مم و تصنيفات تيار من 0.7 إلى 20 أمبير وفروقات حرارة من 70 إلى 105°C. تفخر الشركة بموثوقية منتجاتها المحسّنة، أدائها المتفوق، وعمر دورة تشغيلها المطول.
CUI Devices، المقر الرئيسي في توالاتين، أوريغون، الولايات المتحدة، هي شركة تصنيع مكونات إلكترونية تقدم حلولًا للربط، الصوت، إدارة الحرارة، الحركة، وأجهزة الاستشعار. في أكتوبر 2023، أطلقت مجموعة إدارة الحرارة في CUI Devices خدمة خدمة تصميم حراري لتحديد النقاط الساخنة المحتملة، تحسين تدفق الهواء، وتصميم أنظمة تبريد فعّالة مخصصة لاحتياجات العميل.
#2. Coherent Corp
توفر أنظمة التبريد من Coherent Corp مجموعة من الحلول الصناعية والاتصالات، بما في ذلك مجموعة من الصيغ القياسية والمخصصة، جميعها مبنية حول “النواة” المشتركة القائمة على أجهزة TEC ذات الكفاءة العالية. إلى جانب أجهزة TEC، تدمج هذه النواة أيضًا مبردات/مكثفات حرارية، مقاييس حرارة/RTDs، وحزم أسلاك.
أحد أشهر منتجات Coherent في مجال تكنولوجيا التبريد الصلب هو نظام التبريد الهوائي إلى الهوائي Climatherm (CTA). بناءً على تقنية التبريد الصلب TEC الخاصة بالشركة، يحمي الحل الإلكترونيات العملاء من الظروف القاسية بقدرة تبريد تصل إلى 250 واط في حزمة خفيفة الوزن ومدمجة.
تتميز مبردات المنتج بتصميم متوافق مع توجيهات RoHS للاتحاد الأوروبي، مدمج، خفيف الوزن، وتوفر نقل حرارة عالي الكفاءة. تشمل التطبيقات النموذجية تبريد حاويات الإلكترونيات، تخزين الطعام و المشروبات، تبريد خزانة البطاريات، وأجهزة المختبر.
(COHR )
وفقًا لـ السجلات المالية المتاحة الأخيرة، سجلت الشركة إيرادات سنوية قدرها 5.16 مليار دولار أمريكي للسنة المنتهية في 30 يونيو 2023. وهذا يمثل زيادة ملحوظة عن سجل العام السابق البالغ 3.317 مليار دولار أمريكي للسنة المنتهية في 30 يونيو 2022.
مستقبل التبريد الصلب
لتقليل الكلام، يبدو مستقبل التبريد الصلب واعدًا بلا شك. أدركت المجتمعات العلمية والتجارية التقنية حول العالم إمكاناته كحل يمكنه مواجهة تحديات الاحتباس الحراري وتغير المناخ مباشرة.
إلى جانب الأسماء ذات الخبرة والسمعة، ظهرت شركات مبتكرة مثل Phononic. تستخدم ابتكاراتهم في التبريد الصلب، التبريد، وتكييف الهواء ماءً مختلطًا بـ CO2 المتاح طبيعيًا، مع GWP يساوي 1 فقط، ما يمنحهم أدنى تصنيف GWP في الصناعة. هنا، يرمز GWP إلى القدرة على التسبب في الاحترار العالمي.
تعتقد Phononic أن تصميمها الصلب لديه القدرة على تمثيل طريقة جديدة ومثيرة لتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، دعم أهداف المناخ للأمم المتحدة، وتلبية المتطلبات الأداء العالية للسوق.
مع ذلك، هناك بعض التحديات التي سيتعين على التبريد الصلب معالجتها لتلبية الاحتياجات الحرارية في الإلكترونيات بفعالية في المستقبل. يجب أن يصبح ميسور التكلفة، حيث قد تكون تكلفة المواد الحرارية الكهربائية أعلى بشكل ملحوظ من الأنظمة التبريدية التقليدية. سيتعين على الباحثين العمل بشكل أكثر حزمًا وسرعة لاستكشاف مواد بديلة وعمليات تصنيع أكثر توفيرًا لتجاوز هذا التحدي.
سيواجه توسيع الإنتاج مع التبريد الصلب في القلب أيضًا تحديًا في الكفاءة، حيث لا تزال المواد الحرارية الكهربائية تتخلف عن أنظمة الضغط البخاري التقليدية في تطبيقات معينة. سيتعين على العلماء إجراء اختبارات أكثر صرامة لاكتشاف سبل تحسين كفاءة المواد الحرارية الكهربائية.
أخيرًا، سيتعين على أنظمة التبريد الصلب تحسين ملفات إدارة الحرارة لديها حتى تتمكن من تبديد الحرارة المتولدة على الجانب الساخن من مبرد الطاقة الحرارية بفعالية. هذا أمر حاسم للحفاظ على الأداء الأمثل للنظام.
على الصعيد العالمي، أدرك الباحثون فوائد التبريد الصلب. إنهم يدرسون مواد جديدة وتقنيات تحسين الأداء. نأمل أن نرى قريبًا اعتمادًا أكبر للتبريد الصلب في حالات الاستخدام الصناعية والتجارية.
انقر هنا لتتعرف على كيف يمكننا تعزيز حلول HVAC باستخدام مواد إلكتروكالية.
