Η διαχείριση της θερμότητας αποτελούσε ανέκαθεν έναν από τους μεγαλύτερους πονοκεφάλους της σύγχρονης μηχανικής και των ηλεκτρονικών συσκευών. Τώρα, μια επαναστατική ανακάλυψη έρχεται να αλλάξει τους κανόνες του παιχνιδιού, επιτρέποντάς μας να κατευθύνουμε τη ζέστη με την ίδια ακρίβεια που ελέγχουμε τα δεδομένα σε έναν υπολογιστή.
Αυτή η εξέλιξη ανοίγει τον δρόμο για συσκευές που δεν θα υπερθερμαίνονται ποτέ, αλλάζοντας ριζικά το μέλλον της τεχνολογίας. Επιστήμονες δημιούργησαν ένα προγραμματιζόμενο υλικό που δίνει στους μηχανικούς πρωτοφανή έλεγχο πάνω στη θερμότητα, με πιθανές εφαρμογές που εκτείνονται από τα ενεργειακά συστήματα έως τη φωτονική μνήμη επόμενης γενιάς.
Η θερμότητα κανονικά ακολουθεί αυστηρούς κανόνες. Ένα υλικό που απορροφά αποτελεσματικά τη θερμότητα από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, θα εκπέμψει επίσης τη θερμότητα με τον ίδιο ακριβώς τρόπο.
Αυτή η θεμελιώδης αρχή, γνωστή ως «αμοιβαιότητα» (reciprocity), εμπόδιζε για μεγάλο χρονικό διάστημα τους επιστήμονες από το να ελέγξουν ανεξάρτητα τον τρόπο με τον οποίο απορροφάται και απελευθερώνεται η θερμότητα. Το σπάσιμο αυτού του δεσμού θα μπορούσε να ξεκλειδώσει μια εντελώς νέα κατηγορία τεχνολογιών.
Εάν τα υλικά μπορούσαν να απορροφούν τη θερμότητα από μία κατεύθυνση ενώ την εκπέμπουν σε μια άλλη, οι μηχανικοί θα ήταν σε θέση να κατευθύνουν τη θερμική ενέργεια με πρωτοφανή ακρίβεια, οδηγώντας σε προόδους στη θερμική διαχείριση, τη μετατροπή ενέργειας, την ανίχνευση υπερύθρων και τη θερμική επικοινωνία.
Το έξυπνο υλικό μπορεί να κατευθύνει και να αποθηκεύει τη θερμότητα
Για να το πετύχει αυτό, μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Κοΐτσι Οκαμότο (Koichi Okamoto) και τον Δρ. Σουνσούκε Μουράι (Shunsuke Murai) από το Μεταπτυχιακό Τμήμα Μηχανικής του Μητροπολιτικού Πανεπιστημίου της Οσάκα στράφηκε στα μαγνητο-οπτικά υλικά. Τα υλικά αυτά αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν με το φως όταν εκτίθενται σε μαγνητικό πεδίο.
Οι ερευνητές συνδύασαν ένα μαγνητο-οπτικό υλικό με ένα υλικό αλλαγής φάσης, γνωστό ως GST, για να δημιουργήσουν μια συσκευή που μπορεί να ελέγχει την κατεύθυνση της θερμικής ακτινοβολίας.
Η συσκευή μπορεί επίσης να ενεργοποιεί ή να απενεργοποιεί αυτή τη συμπεριφορά και να διατηρεί την επιλεγμένη της κατάσταση ακόμη και μετά τη διακοπή της τροφοδοσίας, επιτρέποντας στη θερμότητα να προγραμματίζεται με τρόπο παρόμοιο με τα δεδομένα που αποθηκεύονται σε ένα μικροτσίπ.
«Κάναμε τη θερμική ακτινοβολία να συμπεριφέρεται με έναν πιο “έξυπνο” τρόπο», εξήγησε ο δρ Μουράι. «Η επίτευξη αυτών των δυνατοτήτων σε ένα λειτουργικό μοντέλο θα μπορούσε να επιτρέψει μια νέα γενιά αποδοτικών εκπομπών υπερύθρων, συσκευών θερμικής ενέργειας, αισθητήρων και τεχνολογιών φωτονικής μνήμης».
Μια σημαντική βελτίωση σε σύγκριση με τα παλαιότερα σχέδια
Οι δοκιμές έδειξαν ότι η συσκευή ανταποκρινόταν διαφορετικά ανάλογα με την κατεύθυνση του εισερχόμενου φωτός, ακόμη και όταν το φως την προσέκρουε σχεδόν κάθετα. Αυτό αποτελεί μια σημαντική πρόοδο σε σχέση με τα προηγούμενα σχέδια, τα οποία λειτουργούσαν μόνο όταν το φως έφτανε σε πολύ απότομες γωνίες, όπου τόσο η απορρόφηση όσο και η εκπομπή θερμότητας γίνονταν πολύ λιγότερο αποτελεσματικές.
Το νέο σύστημα έλυσε επίσης έναν άλλο σημαντικό περιορισμό. Οι παλαιότερες συσκευές παρουσίαζαν ασταθή συμπεριφορά κατά την εναλλαγή και έχαναν την προγραμματισμένη τους κατάσταση μόλις διακοπτόταν η τροφοδοσία, γεγονός που καθιστούσε δύσκολη την επαναδιαμόρφωσή τους.
Αντίθετα, η νέα συσκευή παρέχει πιο αξιόπιστη εναλλαγή, ενώ διατηρεί την αποθηκευμένη της κατάσταση χωρίς να απαιτείται συνεχής παροχή ενέργειας.
Προς τη δημιουργία προγραμματιζόμενων θερμικών συσκευών
Οι ερευνητές οραματίζονται ένα μέλλον όπου η θερμότητα θα μπορεί να κατευθύνεται με το ίδιο επίπεδο ακρίβειας που χρησιμοποιούν τα ηλεκτρονικά συστήματα για τον έλεγχο του ηλεκτρισμού.
«Απώτερος στόχος μας είναι να αναπτύξουμε συμπαγείς συσκευές που θα μπορούν να ελέγχουν ενεργά τη θερμική ακτινοβολία, με τον ίδιο τρόπο που τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρισμού», δήλωσε ο καθηγητής Οκαμότο.
«Τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πιο έξυπνους αισθητήρες υπερύθρων, σε πιο αποδοτικά ενεργειακά συστήματα και σε νέους τύπους φωτονικής μνήμης που αποθηκεύουν πληροφορίες χρησιμοποιώντας το φως και τη θερμότητα αντί για ηλεκτρικά φορτία».
