Gaz yok, metal var: bir milyon çevrim boyunca bozulmayan soğutucu

Rakamların önemi, soğutmanın ne kadar büyük bir elektrik ve sera gazı kalemi olduğundan geliyor. Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) 2018 tarihli The Future of Cooling raporuna göre dünyada yaklaşık 1,6 milyar klima kullanımda; bunlar yılda 2.000 terawatt-saatten fazla elektrik harcıyor ve binalarda tüketilen elektriğin beşte birine yakını soğutmaya gidiyor. Aynı rapor, mevcut politikalar sürdüğünde soğutmanın enerji ihtiyacının 2050'ye kadar üçe katlanıp yılda 6.200 terawatt-saate ulaşacağını hesaplıyor. Bing Li ve arkadaşlarının Nature'da yayımladığı bir çalışmanın girişindeki ifadeyle, dünya elektriğinin yüzde 25 ila 30'u soğutma için harcanıyor.

İkinci mesele gaz. Klasik klimalar ve buzdolapları ısıyı, sıkıştırılıp genleştirilen bir akışkanla taşır; bu akışkanların büyük bölümü florlu sera gazı. Avrupa Komisyonu'nun iklim sayfasındaki verilere göre florlu gaz salımlarının yüzde 91'ini hidroflorokarbonlar (HFC) oluşturuyor. Bu gazların atmosferi ısıtma gücü karbondioksitin binlerce katı olabiliyor; Montreal Protokolü'nün Kigali Değişikliği de bu yüzden küresel HFC kullanımını 2047'ye kadar yüzde 80-85 oranında düşürmeyi hedefliyor. UNEP Ozon Sekretaryası, tek başına bu adımın 2100'e kadar 0,5 santigrat dereceye varan ısınmayı önleyebileceğini yazıyor.

Gerilince ısınan metal

Elastokalorik etki aslında çok eski bir gözlem. Bir lastik bandı hızla gerip dudağınıza değdirirseniz ılık olduğunu fark edersiniz; gerginliği bıraktığınızda soğuyacaktır. Şekil hafızalı alaşımlarda aynı şey çok daha güçlü olur, çünkü metalin içinde ısı alıp veren gerçek bir faz dönüşümü yaşanır.

Nikel-titanyum alaşımı nitinol bunun klasik örneği. Gerilim altında atomların dizilişi, östenit denen düzenli yapıdan martenzit denen kaymış yapıya geçer. Bu geçiş gizli ısı açığa çıkarır, metal ısınır. Yük kalkınca yapı geri döner, bu kez ısıyı çevresinden emer ve metal başlangıç sıcaklığının altına iner. Isınan aşamada ısıyı dışarı atar, soğuyan aşamada odadan ısı çekerseniz, ortada hiçbir gaz olmadan çalışan bir soğutma çevrimi elde edersiniz.

Aynı dönüşüm, bükülmüş bir nitinol atacın ısıtılınca eski biçimine dönmesinin de sebebi. Malzemenin günlük dilde “şekil hafızası” denen özelliği ile soğutma yeteneği, fiziksel olarak tek ve aynı olayın iki yüzü.

Asıl sorun soğutmak değildi, yorulmaydı

Elastokalorik soğutmanın laboratuvarda çalıştığı on yıldır biliniyor. Takılıp kalınan yer dayanıklılıktı. HKUST'un duyurusunda ve çalışmayı aktaran Tech Xplore'un haberinde aynı tespit var: mevcut cihazların çoğunda soğutucu olarak kullanılan ticari NiTi alaşımı işlevsel yorulmaya açık, tekrarlanan dönüşümlerde soğutma gücü düşüyor. Yani düzenek ilk gün iyi soğutuyor, belli bir çevrim sayısından sonra aynı işi yapamıyor. Bir klimadan beklenen ise yıllarca aynı işi yapması.

Ekip iki yerden birden müdahale etmiş. Birincisi malzeme: sade NiTi yerine bakır ve kobalt eklenmiş dörtlü bir TiNiCuCo alaşımı. İkincisi biçim: soğutucu, çift katmanlı kanatçıklı bir yapıya dönüştürülmüş. Üniversitenin açıklamasına göre bu yapı hem ısı aktarımını iyileştiriyor hem de burkulmaya direniyor ve 10 milyon basma çevriminin üzerinde yapısal yorulma ömrü veriyor. Aynı açıklamada cihazdaki parça sayısının yarıya indiği, işe yaramayan hacim payının yüzde 15'ten yüzde 5'e düştüğü belirtiliyor.

Aşağıdaki rakamlar HKUST'un kendi duyurusundan ve çalışmayı aktaran Tech Xplore haberinden derlendi.

Kalorik soğutma yalnız elastokalorikten ibaret değil

Elastokalorik, “kalorik” denen bir ailenin üyesi. Ortak fikir şu: bir katıya dışarıdan bir alan uygularsınız, katının içinde bir faz dönüşümü olur, bu dönüşüm ısı alır ya da verir. Uygulanan alanın cinsi ailenin dallarını belirler. Aşağıdaki karşılaştırma, Zhongjian Xie, Gaël Sebald ve Daniel Guyomar'ın 2016 tarihli derlemesi ile ayrıca belirtilen çalışmalardan derlendi.

Xie ve arkadaşlarının derlemesine göre elastokaloriğin öne çıkmasının bir sebebi de şu: gereken şey pahalı bir alan değil, mekanik kuvvet. Aynı derleme, ABD'nin enerji kurumu DOE'nin 2014 tarihli raporunda elastokalorik soğutmanın buhar sıkıştırmaya alternatifler arasında en yüksek potansiyelli teknoloji olarak sıralandığını aktarıyor. Kuvvet de ucuza gelmiyor: derlemede anılan bir modelde 500 watt soğutma gücü için NiTi'de yaklaşık 180 kilonewton, yani 900 MPa gerilme hesaplanmış. Yeni çalışmanın çift katmanlı kanatçık tasarımı tam da bu mekanik yük altında malzemenin burkulmadan kalması meselesine bakıyor.

Nerede duruyoruz

Abartmamak gerekiyor: bu bir laboratuvar cihazı. 400 watt bir ev klimasının soğutma gücü değil. HKUST'un 2025 duyurusunda, önceki elastokalorik cihazların 260 watt civarında kaldığı ve bunun ticari klima için gereken kilovat ölçeğini karşılamadığı söyleniyordu. Aynı ekip geçen yıl Nature'da, 3,5 hertzde 1.284 watt soğutma gücüne ulaşan ve toplam 104,4 gram nikel-titanyum boru içeren çok hücreli bir düzenek bildirmişti; o cihaz 30-31 derecelik bir yaz gününde 2,7 metreküp hacimli bir maket evi 15 dakikada 21-22 dereceye indirmişti. Yeni çalışmanın değeri güçte değil, gücün bir milyon çevrim boyunca sabit kalmasında.

Burada bir ölçek uyarısı şart. Bir milyon çevrim kulağa büyük geliyor; ama önceki HKUST cihazının çalıştığı 3,5 hertzlik tempoda bu sayı üç-dört güne denk gelir. Üniversitenin “gerçek koşullarda on yıldan uzun süre güvenilir çalışması beklenir” ifadesi de cihazın bir milyon çevriminden değil, malzemenin 100 milyon çevrimlik hızlandırılmış testinden geliyor. Yeni cihazın çalışma frekansı ve fiziksel boyutları duyurularda verilmiyor.

Bir başka eksik: yayımlanan duyurularda performans katsayısı (COP), yani harcanan elektrik başına taşınan ısı rakamı geçmiyor. Verim karşılaştırması yapmak için bu sayı gerekiyor ve onsuz “klimalardan daha verimli” demek mümkün değil. Ticarileşme için de bir tarih verilmiş değil. Sun'ın söylediği, ekibin şu an bu teknolojiye dayalı bir klima üzerinde çalıştığı ve hedeflerinin enerji verimliliği, güç yoğunluğu ve maliyet rekabeti olduğu.

Türkiye'de takvim zaten işliyor

Gazsız soğutmayı akademik bir meraktan çıkaran şey kısmen mevzuat. Türkiye, Montreal Protokolü'nün Kigali Değişikliği'ni 10 Kasım 2021'de kabul etti; UNEP Ozon Sekretaryası'nın onay listesinde bu tarih görünüyor. Florlu Sera Gazlarına İlişkin Yönetmelik'in güncel hali 15 Ekim 2024 tarihli ve 32693 sayılı Resmî Gazete'de yayımlandı ve 2022 tarihli öncekini yürürlükten kaldırdı. iklim.gov.tr'deki duyuruya göre, kullanımı tümüyle ithalata dayanan bu gazlarda 2024 itibarıyla kota uygulaması başladı. Yani soğutucu gazın fiyatı ve bulunabilirliği önümüzdeki yıllarda kendiliğinden değişecek.

Açık kalan sorular şunlar: kobalt ve bakır içeren TiNiCuCo alaşımı maliyeti nereye taşır, 400 wattlık bir düzenek kilovat ölçeğine büyütülürken yorulma dayanımı korunur mu, ve bağımsız bir grup aynı sonucu tekrarlayabilir mi? Elastokalorik soğutma on yıldır “umut vaat eden” rafında duruyor; bu çalışma o rafta duran sebeplerden birini, yani malzemenin zamanla körelmesini, en azından bir kez ortadan kaldırdığını söylüyor. Sonraki adım laboratuvar tezgâhı değil, bir odayı yazın serin tutan kutu olacak.

Fotoğraf: Petermaerki, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons