Piše dr. Katja Klinar, prejemnica Loreal-Unescove štipendije Za ženske v znanosti 2022

Ob besedi tokokrog najprej pomislimo na električni krog in električna vezja. Tudi v SSKJ je tokokrog definiran kot pot, po kateri teče električni tok. Če pa izhajamo iz podobnosti med toploto in električno energijo, se postavi vprašanje, ali imamo lahko tudi kakšen drug tokokrog, na primer toplotni tokokrog? Kako bi izgledali elementi toplotnega tokokroga in kakšna bi bila njihova vloga?

Analogija med električno energijo in toploto

Električni tok žene razlika električnih potencialov (električna napetost), toplotni tok pa temperaturna razlika. Za upravljanje z električnim tokom uporabljamo različne elektronske komponente: stikala, diode, tranzistorje, itd., ki so povezani v enostavne ali pa zahtevnejše električne kroge. Enostavni nam na primer omogočajo prižig luči v sobi, zahtevnejši pa pošiljanje sporočil prek mobilnega telefona.

Če sta si toplota in električna energija podobni, ali lahko za upravljanje s toploto uporabljamo podobne komponente?

Toplotno stikalo

Ko vstopimo v temno sobo, naša roka kar sama od sebe seže proti stikalu in prižge luč.

S pritiskom na (električno) stikalo sklenemo ali pa prekinemo električni krog, v katerega je vezana luč. S tem vzpostavimo ali pa prekinemo električni tok v tokokrogu.

Za nas je prižig luči nekaj tako samoumevnega, da niti ne razmišljamo, kaj se ob tem zgodi. Iz podobnosti med električno energijo in toploto pa sledi:

Toplotno stikalo sklene ali pa prekine toplotni tok v toplotnem tokokrogu.

V toplotnem tokokrogu moramo imeti izvor toplote (z višjo temperaturo) in ponor toplote (z nižjo temperaturo). Toplotno stikalo predstavlja povezavo med njima: če sta telesi povezani z vključenim toplotnim stikalom, med njima teče toplotni tok. Če pa toplotno stikalo med telesoma izključimo, v idealiziranem primeru toplotni tok med njima ne teče. Ker je idealiziranih primerov malo, se pri izključenem toplotnem stikalu zadovoljimo že z manjšim toplotnim tokom (v primerjavi s toplotnim tokom v vključenem stanju).

Ločimo več različnih načinov delovanja toplotnih stikal, v osnovi pa jih delimo v tri skupine: mehanska, tekočinska in trdninska. Eno izmed tekočinskih je prikazano na spodnji sliki. Med izvorom in ponorom toplote je ozka zračna reža (kanal), po kateri se lahko premika npr. kapljica vode. Ko se kapljica vode nahaja v reži med izvorom in ponorom toplote, med njima teče večji toplotni tok (levo) kot takrat, ko kapljice ni med njima (desno). Lokacija kapljice torej določa vključenost oz. izključenost toplotnega stikala. Kapljico lahko po kanalu premikamo na različne načine (s črpanjem, elektroomočenjem, nagibanjem kanala, ipd.).

Toplotna dioda

Za razliko od aktivno delujočih toplotnih stikal, ki za preklapljanje med vključenim in izključenim stanjem potrebujejo zunanji sprožilec (silo, tlak, magnetno ali električno polje), toplotne diode delujejo brez sprožilca, torej pasivno. Delovanje toplotne diode je odvisno od temperaturnega gradienta preko toplotne diode. Toplotne diode imajo tako kot električne diode prevodno in zaporno smer. V prevodni smeri je toplotni tok preko toplotne diode večji kot v zaporni smeri (slika spodaj).

Mehanizmi delovanja toplotnih diod so različni in tudi tu ločimo mehanske, tekočinske in trdninske. Primer trdninske iz dveh materialov je prikazan na zgornji sliki. Za pravilno delovanje morata imeti materiala A in B temperaturno odvisno toplotno prevodnost:

– material A mora imeti nizko toplotno prevodnost pri nizki temperaturi in visoko pri visoki,

– material B mora imeti visoko toplotno prevodnost pri nizki temperaturi in nizko pri visoki.

V prevodni smeri preko toplotne diode teče velik toplotni tok, saj imata oba materiala visoko toplotno prevodnost (temperatura materiala A je visoka, temperatura materiala B pa je nizka). Obratno imata v zaporni smeri (zamenjali smo položaj izvora in ponora toplote) delovanja toplotne diode oba materiala nizko toplotno prevodnost (temperatura materiala A je nizka, temperatura materiala B pa je visoka).

Primeri uporabe

Raziskovalci iščemo materiale in načine, kako doseči čim večjo razliko med toplotnim tokom v izključenem in vključenem stanju toplotnega stikala oz. v prevodni in zaporni smeri toplotne diode. Takšni elementi imajo veliko uporabnost v sistemih in napravah s periodičnim spreminjanjem temperature.

Eden izmed takšnih primerov bi bila aktivna toplotna izolacija stavbe, ki prepusti ali pa omeji toplotni tok med notranjostjo stavbe in okolico, glede na temperaturo okolice oz. temperaturo v notranjosti stavbe. Veliko različnih primerov lahko najdemo tudi pri obravnavi upravljanja s toploto satelitov in ostalih vesoljskih plovil v osončju.

V okviru mojega dela želim praktično uporabo toplotnega stikala potrditi v magnetnem hlajenju. Magnetno hlajenje predstavlja alternativo parno-kompresijskemu hlajenju. Izkorišča magnetokalorični učinek nekaterih trdnin, zaradi česar ima teoretično višji energijski izkoristek, ne uporablja okolju škodljivih hladiv in lahko deluje brez gibljivih delov. S to tehnologijo se v Laboratoriju za hlajenje in daljinsko energetiko na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani aktivno ukvarjajo že skoraj 20 let in so pionirji tega področja. Dosedanje študije so pokazale, da lahko s pomočjo toplotnih kontrolnih elementov bistveno izboljšamo prenos toplote v takšni napravi, s čimer bi morda lahko dosegli preboj tehnologije magnetnega hlajenja na trg.

Katja Klinar zaključuje doktorski študij iz tematike uporabe tekočinskih toplotnih stikal in toplotnih diod v magnetnem hlajenju (alternativa parno-kompresijskemu hlajenju). V svojem raziskovalnem delu se poleg magnetnega hlajenja osredotoča tudi na druga področja upravljanja s toploto. Sodelovala je pri več industrijskih projektih povezanih z reševanjem težav pri upravljanju s toploto v gospodinjskih aparatih. (foto: Jani Ugrin)