Nieuw onderzoek toont aan dat een elastiche legering kan zorgen voor extreem efficiënte solid-state warmtepompen — zonder schadelijke gassen en met bijna 90% van de maximale natuurkundige efficiëntie.
Een revolutionair nieuw metaal uit Hongkong belooft de warmtepomp opnieuw uit te vinden. Onderzoekers van de School of Engineering van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een elastische legering ontwikkeld die bij rek en compressie opwarmt en afkoelt — zonder gas, zonder koelvloeistof.
De ontdekking zou weleens de meest efficiënte solide warmtepomp tot nu toe kunnen opleveren, met potentieel om fossiele verwarmingssystemen voorgoed naar het verleden te verbannen.
Onbruikbaar concept — tot nu
De sleutel ligt in een verschijnsel dat bekend staat als het thermo-elastisch effect (TeE). Simpel gezegd: als je een specifiek materiaal uitrekt of indrukt, verandert de temperatuur ervan. Al in de 19e eeuw ontdekten wetenschappers dit effect, maar ze schreven het snel af: te zwak, dachten ze. Tot nu.
Het team van Professor Sun Qingping en Dr. Li Qiao ontwikkelde een bijzondere metaallegering: Ti₇₈Nb₂₂, een martensitisch polykristal met een specifieke kristaltextuur ([100]-richting). Door deze structuur en samenstelling vertoont het materiaal een temperatuurverandering van 4 tot 5 graden Kelvin bij elastische vervorming. Dat is twintig keer hoger dan bij gewone metalen.
Tot 90% van het theoretisch maximum
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, behaalt deze nieuwe benadering ongeveer 90% van het Carnot-rendement — het theoretisch maximale rendement voor warmtepompen.
Ter vergelijking: conventionele solide warmtepompen die werken op faseovergangen halen doorgaans slechts 50 tot 70% van dat maximum. Daarmee is deze technologie een echte gamechanger.
Van lab naar industrie
Dr. Li Qiao bevestigt dat er inmiddels prototypes van warmtepompen op basis van de nieuwe legering worden ontwikkeld. “We richten ons op toepassingen in de industrie,” stelt hij in een persbericht. En dat is geen overbodige luxe, want bijna de helft van het wereldwijde energieverbruik gaat op aan thermische toepassingen, van het verwarmen van gebouwen tot industriële processen.
Vandaag de dag wordt die warmte nog grotendeels opgewekt door het verbranden van fossiele brandstoffen. Een solide, efficiënte, en milieuvriendelijke warmtepomp op basis van de thermo-elastische werking van metalen kan een directe vervanging betekenen — zonder uitstoot, zonder koelvloeistoffen, en met minimale bewegende onderdelen.
Ferro-elastische superwarmtepompen op komst?
De onderzoekers zien bovendien ruimte voor verdere optimalisatie. Door gebruik te maken van zogeheten ferro-elastische materialen met een nog grotere thermische uitzetting, zouden temperatuurveranderingen tot 22 Kelvin haalbaar zijn. Daarmee zou de technologie zelfs geschikt worden voor toepassingen met hogere warmtevraag, zoals in de chemische industrie.
Nieuwe standaard voor warmte-opwekking
De uitvinding markeert een fundamentele wending in de manier waarop we warmte opwekken en verplaatsen. In plaats van vloeistoffen rond te pompen of gassen te comprimeren, volstaat het straks wellicht om een metalen element een klein beetje uit te rekken — en daarmee een enorme energietransitie in gang te zetten.
Internationale patenten zijn al aangevraagd
Internationale patenten zijn inmiddels aangevraagd. Als de technologie schaalbaar blijkt en betaalbaar kan worden geproduceerd, zou dit wel eens de eerste écht fossielvrije warmtepomp op de markt kunnen worden.
Deze ontdekking toont aan dat het thermo-elastisch effect, lang gezien als een wetenschappelijke curiositeit, het fundament kan vormen van een nieuwe generatie warmtetechnologie. Het zou niet alleen de verduurzaming van woningen en industrie kunnen versnellen, maar ook onze afhankelijkheid van fossiele energie drastisch verminderen.
