Koelkast zonder compressor en koelvloeistof

De koelkast die Amerikaanse ingenieurs ontwikkelden werkt louter met vaste-stofkoeling en elektrostatica. Het apparaat heeft geen compressor en koelvloeistof nodig.

Bestaande koelkasten werken volgens een honderd jaar oude principe: door de fase van een vloeistof te veranderen neemt die warmte op of staat die warmte af. Voor dat principe is dan wel koelvloeistof en een compressor nodig. Dat werkt prima voor thuis, maar voor andere toepassingen, bijvoorbeeld als er weinig ruimte is, zijn die koelkasten omslachtig.

Ingenieurs van de University of California maken in plaats daarvan gebruik van de eigenschap van sommige vaste stoffen dat ze warmte opnemen als er een elektrisch veld op wordt gezet, en die weer afstaan als dat veld weer nul is. Dat wordt ook wel het elektrocalorisch effect genoemd. Ze publiceren erover in de nieuwste uitgave van Science.

Folie

De ingenieurs gebruikten als materiaal een polymeer dat bestaat uit een cocktail van verschillende verbindingen (voor de kenners: vinylideenfluoride, trifluorethyleen en chloorfluorethyleen; afgekort VDF, TrFE en CFE). De keuze voor dit polymeer heeft ook te maken met zijn verschijningsvorm, gewoon een flexibele folie.

Vanwaar een folie? Omdat het natuurlijk mooi is als een vaste stof warmte kan opnemen en afstaan, maar je moet er dan nog wel voor zorgen dat die warmte wordt opgenomen bij het te koelen deel, en wordt afgestaan aan - zeg maar - de buitenlucht. De vaste stof moet dus op de een of andere heen en weer kunnen bewegen. Hij maakt contact met het te koelen deel als hij warmte opneemt, en met de ‘omgeving’ als hij die warmte weer afstaat.
 

Diverse onderzoekers die vaste-stofkoeling wilden toepassen, bedachten daarvoor mechanische oplossingen, maar dat is precies wat de Amerikaanse ingenieurs niet willen. Want dat betekent een meer gecompliceerde constructie en extra energieverbruik.

Elektrostatisch

In plaats daarvan gebruiken de ingenieurs elektrostatische kracht om de beweging tot stand te brengen, denk aan de ballon die aan je hand blijft kleven als je er op wrijft. Het polymeer werd voorzien van een elektrode - een gaas van koolstof nanobuisjes - en dat gebeurde ook met de platen die dienen om te koelen (koelplaat) en om warmte af te staan (warmteafgifteplaat), namelijk door het aanbrengen van een laag zilvernanodraad. Door tussen de folie en bijvoorbeeld de koelplaat een spanning te zetten, ontstaat tussen beide een elektrostatische kracht waardoor de folie aan die plaat gaat kleven. Komt er een spanning tussen de folie en de warmteafgifteplaat, dan zal de folie daaraan gaan kleven.

S-vormige slang

Nu is die elektrostatische kracht ook weer niet zo sterk dat er erg grote afstanden mee kunnen worden overbrugd. En ook daarvoor bedachten de ingenieurs een slimme truc. In het koelelement zit de folie aan de ene kant vast aan de koelplaat, en aan de andere kant aan de warmteafgifteplaat, zie de tekening. De folie heeft dus al een beginnetje om vast te plakken. En omdat folie zich gemakkelijk laat buigen beweegt hij als een S-vormige slang tussen de beide platen heen en weer, wanneer er wisselend een spanning op wordt gezet.  De folie kan zo 30 keer per seconde heen en weer bewegen met een energiegebruik van slechts een paar honderdste watt.

Flinke koelcapaciteit

Met een koelelement met een folie van 7 bij 3 cm en een afstand tussen de platen van 0,6 cm bereikten de ingenieurs een opmerkelijk resultaat: hun apparaat presteert aanzienlijk beter dan vergelijkbare vaste-stofkoelers of koelers die gebruik maken van magnetische koeling (lees: 'Magnetische koelmachine in gebruik').

Los van gebruikelijke koelapparatuur zien de ingenieurs voor hun vinding nog tal van andere toepassingen. Bijvoorbeeld het koelhouden van een wond (in plaats van een ijszak), het koelen van biologisch materiaal (te transplanteren organen), het koelen van een bureau of werktafel, of van kleine elektronische apparaten als een lab-on-a-chip.