Varme- og lydbølgeinteraktioner i faste stoffer kan køre motorer, køleskabe

Et fast stof kan tjene som et medium for varme- og lydbølge -interaktioner ligesom en væske gør for termoakustiske motorer og køleskabe - hvilket resulterer i lækagefrie maskiner, der kan blive ved med at fungere længere.

Utætte systemer har begrænset, hvordan ingeniører designer termoakustiske enheder, der er afhængige af samspillet mellem temperatursvingninger og lydbølger. Forskere ved Purdue og University of Notre Dame har for første gang demonstreret, at termoakustik teoretisk set kan forekomme i både faste stoffer og væsker, præsenterede for nylig deres resultater på det 175. møde i Acoustical Society of America.

"Selvom det stadig er i sin vorden, denne teknologi kan være særlig effektiv i barske miljøer, såsom det ydre rum, hvor stærke temperaturvariationer er frit tilgængelige, og når systemfejl ville bringe den overordnede mission i fare, "sagde Fabio Semperlotti, Purdue assisterende professor i maskinteknik.

Termoakustik har været et etableret og velstuderet fænomen i væsker-hvad enten det er som en gas eller væske-i århundreder. "Påføring af varme til en væske, der er indesluttet i en kanal eller et hulrum, vil forårsage den spontane dannelse af lydbølger, der formerer sig i selve væsken, "sagde Carlo Scalo, en adjunkt i maskinteknik på Purdue. "Dette resulterer i såkaldte sangpiber, eller termoakustiske maskiner. "

Selvom væsker historisk set er blevet brugt til disse systemer, det ekstra trin med at bygge noget for at indeholde væskerne og forhindre lækager er besværligt. Dette fik forskerne til at overveje faste stoffer som en erstatning.

"Egenskaber ved faste stoffer er mere kontrollerbare, hvilket kunne gøre dem potentielt bedre egnet til disse applikationer end væsker. Vi skulle først kontrollere, at dette fænomen teoretisk kunne eksistere i faste medier, sagde Haitian Hao, Purdue forskerassistent i maskinteknik.

Termoakustik gør det muligt enten at omdanne spildvarme eller mekaniske vibrationer til andre nyttige energiformer. Til køleskabe, lydbølger genererer en temperaturgradient af varmt og koldt. Den vibrerende bevægelse gør kolde områder koldere og varme områder varmere.

Motorer bruger en modsat proces:En temperaturgradient fra spildvarme fører til mekaniske vibrationer.

Solid -state termoakustik virkede oprindeligt usandsynligt, da faste stoffer er noget mere "stabile" end væsker og har en tendens til lettere at sprede mekanisk energi, gør det sværere for varme at generere lydbølger.

Forskerne udviklede en teoretisk model, der demonstrerede, at en tynd metalstang kan udvise selvbærende mekaniske vibrationer, hvis en temperaturgradient periodisk påføres segmenter af stangen. Denne afbalancerede uønskede mekaniske energispredning og viste, at som væsker, faste stoffer trækker sig sammen, når de køler ned og udvider sig, når de opvarmes. Hvis det faste stof trækker sig mindre sammen, når det afkøles og udvides mere ved opvarmning, den resulterende bevægelse vil stige over tid.

Faststoffer kan også konstrueres til at opnå de nødvendige egenskaber for at opnå høj termoakustisk ydeevne. "Væsker tillader os ikke at gøre dette, "Sagde Semperlotti.

Ekstreme temperaturforskelle i rummet ville være perfekte til at generere mekaniske vibrationer, der derefter konverteres til elektrisk energi på rumfartøjer.

"En solid state -enhed ville bruge solen som varmekilde og stråling mod dybt rum som sin kolde kilde, "Sagde Semperlotti." Disse systemer kunne fungere på ubestemt tid, i betragtning af at de ikke har nogen del i bevægelse eller væske, der kan lække ud. "

Forskere mangler stadig at fuldføre en eksperimentel opsætning for at validere denne designidee og bedre forstå termoakustikken i faste stoffer, som opdaget gennem matematiske beregninger og modellering.

"Mulige applikationer og ydeevne for disse enheder er på dette tidspunkt stadig inden for ren spekulation, "Semperlotti sagde." Men fænomenet eksisterer, og det har potentiale til at åbne nogle bemærkelsesværdige retninger for design af termoakustiske anordninger. "