Forskare vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utvecklat en ny elastisk legering kallad Ti78Nb22, som uppnår enastående effektivitet för värmepumpning i fast tillstånd och uppvisar en reversibel temperaturförändring (ΔT) som är 20 gånger större än hos konventionella metaller när den sträcks eller komprimeras, vilket erbjuder ett lovande grönt alternativ till traditionella ångkompressionsbaserade värme- och kyltekniker.
Studien är publicerad i Nature Communications, i en artikel med titeln ”Large thermoelastic effect in martensitic phase of ferroelastic alloys for high efficiency heat pumping” (Stor termoelastisk effekt i martensitisk fas av ferroelastiska legeringar för högeffektiv värmepumpning).
Nästan hälften av världens energi förbrukas för uppvärmning, inklusive fjärrvärme i byggsektorn och processuppvärmning i olika industrisektorer.
För närvarande tillgodoses den globala värmebehovet främst genom förbränning av fossila bränslen, vilket producerar stora mängder växthusgaser och förbrukar betydande mängder energi. Användning av värmepumpar baserade på fastfasövergångar är en mer miljövänlig metod, men deras energiprestanda ligger fortfarande på endast 50–70 % av Carnot-gränsen. Att uppnå mer effektiv och miljövänlig värmepumpning är fortfarande en global utmaning.
Prof. Sun Qingping (till vänster) och forskningsassistent Prof. LI Qiao (till höger), båda från Institutionen för maskinteknik och rymdteknik vid HKUST, demonstrerar sin nyutvecklade elastiska legering Ti₇₈Nb₂₂. Källa: HKUST
För att möta denna utmaning har professor Sun Qingping från forskningsgruppen vid Institutionen för maskinteknik och rymdteknik (MAE) föreslagit en ny värmepumpsteknik som utnyttjar värme som alstras genom elastisk deformation, känd som termoelastisk effekt (TeE).
TeE upptäcktes av forskarna Kelvin, Joule och Duhamel på 1800-talet, men ansågs länge vara för svag för praktiska tillämpningar.
Prof. Suns team tillverkade sedan en [100]-texturerad Ti78Nb22 martensitisk polykristall som, när den utsätts för linjär elastisk deformation för värmepumpning, uppvisar en reversibel temperaturförändring (ΔT) på 4–5 K – 20 gånger större än konventionella metaller, som vanligtvis endast förändras med cirka 0,2 K.
Förutsedd absolut temperaturförändring i olika martensitiska enkristaller. Källa: HKUST
Anmärkningsvärt är att denna legering uppnår cirka 90 % av Carnot-effektivitetsgränsen i en värmepumpcykel, vilket gör den mycket konkurrenskraftig jämfört med köldmedier som används i kommersiella ångkompressionsvärmepumpar.
Dessutom visar teamets forskning att vissa ferroelastiska legeringar skulle kunna utvecklas med ännu högre värmeutvidgning och uppnå temperaturförändringar på upp till 22 K. Detta arbete erbjuder en lovande möjlighet för den gröna värmepumpsindustrin och presenterar den första lösningen som inte baseras på fasövergång för miljövänlig och högeffektiv värmeförsörjning.
Prof. Sun säger: ”Denna upptäckt förändrar den långvariga och väl etablerade uppfattningen att den termoelastiska effekten är för svag för att vara användbar. Vår forskning visar att linjär elastisk deformation ensam kan användas för högeffektiv värmepumpning.”
Dr Li Qiao, försteförfattare till studien och forskningsassistent vid samma institution, tillägger: ”I takt med att de globala satsningarna på att minska koldioxidutsläppen intensifieras erbjuder denna teknik en transformativ lösning för att ersätta fossilt bränslebaserad uppvärmning. Vi utvecklar för närvarande prototyper av värmepumpar med legeringen för industriella tillämpningar.”
Mer information: Qiao Li et al, Large thermoelastic effect in martensitic phase of ferroelastic alloys for high efficiency heat pumping, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59720-3
