如果一種新型熱泵能夠實現其承諾，那麼在空調和冰箱中使用對環境有害的氣體可能會變得多餘。上週在《科學》雜誌上發表的一項研究中描述的原型，使用電場和一種特殊的陶瓷，而不是交替汽化製冷劑流體，並用壓縮機冷凝它來加熱或冷卻空氣。
英國劍橋大學的材料科學家尼爾·馬圖爾說，這項技術結合了許多現有技術，並具有“卓越的效能”。
盧森堡貝爾沃的盧森堡科學技術研究所的材料科學家伊曼紐爾·德費及其合作者用一種具有強電卡效應的陶瓷製造了他們的實驗裝置。表現出這種效應的材料在暴露於電場時會升溫。
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在電卡材料中，原子具有電極化——電子分佈略有不平衡，這使得這些原子具有“正”極和“負”極。
當材料被單獨放置時，這些原子的極化會不斷地在隨機方向上旋轉。但是，當材料暴露於電場時，所有靜電極會突然對齊，就像頭髮向一個方向梳理一樣。德費解釋說，這種從無序到有序的轉變意味著電子的熵——物理學家衡量無序程度的方式——突然下降。
但是熱力學定律表明，系統的總熵永遠不會下降，因此如果它在某個地方下降，則必須在其他地方增加。“材料擺脫這種額外混亂的唯一可能性是將其傾倒到其晶體結構的晶格中，”他說。這種額外的無序意味著原子本身開始更快地振動，從而導致溫度升高。
然後，研究人員透過在電卡材料板之間流動流體來去除熱量，同時保持電場開啟。結果是，板回到原始的環境溫度，但具有較低的極化熵。如果研究人員隨後關閉電場，它會產生相反的效果：極化再次變得混亂，熵從陶瓷的原子晶格中傾瀉而出，帶走熱量。結果是，晶格變得比環境溫度更冷，並且可以冷卻在板之間泵送的流體。然後迴圈重新開始。
在冰箱或空調中，來自升溫流體的熱量將分散在環境中，而冷卻的流體將用於保持內部或房間的涼爽。對於供暖，熱泵將冷卻外部環境，從中提取熱量並泵入建築物。
德費說，儘管這項技術尚未準備好商業化，但透過進一步改進，他的團隊的電卡熱泵的效率可以與現有熱泵的效率相媲美。這是一個難以達到的標準，因為基於壓縮機的熱泵已經非常高效：例如，當用於建築物供暖時，對於相同的電力消耗，它們可以產生比空間加熱器多三倍或更多的熱量。但是，與標準熱泵不同，電卡熱泵不需要氫氟碳化合物或氨等製冷劑，這些製冷劑可能對環境有害。德費補充說，而且由於它消除了對壓縮機的需求，因此它有可能安裝在更小、更簡單的裝置中。
本文經許可轉載，最初於2023年11月20日首次發表。