Les interaccions de calor i ona sonora en sòlids podrien funcionar amb motors refrigeradors

Els sistemes de fuites han limitat la manera en què els enginyers dissenyen dispositius termo-acústics que es basen en la interacció entre oscil·lacions de temperatura i ones sonores. Els investigadors de la Purdue University, a West Lafayette (Indiana, EUA) i la Universitat de Notre Dame, a Notre Dame (Indiana, EUA) han demostrat per primera vegada que la termoacústica podria produir-se teòricament en sòlids i líquids. Els investigadors han presentat recentment les seves conclusions a la 175 ª Reunió de la Societat Acústica d'Amèrica.

Tot i que encara en els seus inicis, aquesta tecnologia podria ser especialment eficaç en entorns durs, com l'espai exterior, on hi ha fortes variacions de temperatura disponibles, i quan les fallades del sistema posen en perill la missió global.
La termo-acústica ha estat un fenomen de fluids consolidat i ben estudiat, ja sigui com a gas o líquid, durant segles. L'aplicació de calor a un fluid tancat en un conducte o cavitat provocarà que la generació espontània d'ones sonores es propagui en el propi líquid. Això es tradueix en les anomenades màquines de termo-acústica.

Mentre els fluids han estat històricament utilitzats per a aquests sistemes, el pas addicional de construir alguna cosa per contenir els fluids i prevenir fugues és complicat. Això va fer que els investigadors consideressin sòlids com a substitut.
Les propietats dels sòlids són més controlables, el que podria fer-les potencialment més adequades per a aquestes aplicacions dels fluids. S'ha de comprovar primer que aquest fenomen podria existir teòricament en mitjans sòlids. La termo-acústica permet que la calor residual o les vibracions mecàniques es converteixin en altres formes d'energia útils. Per als refrigeradors, les ones sonores generen un gradient de temperatura de calor i fred. El moviment vibratori fa més fredes les àrees més fredes i calentes.

Els motors utilitzen un procés oposat: un gradient de temperatura proporcionat per la calor residual, produeix vibracions mecàniques. La termo-acústica d'estat sòlid inicialment semblava poc probable, ja que els sòlids són una mica més estables respecte els fluids i tendeixen a dissipar l'energia mecànica amb més facilitat, cosa que fa que la calor generi ones sonores.
Els investigadors van desenvolupar un model teòric que demostra que una vareta prima metàl·lica pot mostrar vibracions mecàniques autosuficients si s'aplica periòdicament un gradient de temperatura als segments de la vareta. Aquesta dissipació energètica mecànica no desitjada equilibrada demostra que, com més fluids, els sòlids es contrauen quan es refreden i s'expandeixen quan s'escalfa. Si el sòlid es contreu menys quan es refreda i s'expandeix més quan s'escalfa, el moviment resultant augmentarà amb el temps.

Els sòlids també es poden dissenyar perquè tinguin les propietats necessàries per aconseguir un rendiment termo-acústic elevat. Els fluids no permeten fer això. Les diferències extremes de temperatura a l'espai serien perfectes per generar vibracions mecàniques que després es convertiran en energia elèctrica a la nau espacial.
Un dispositiu d'estat sòlid usaria el sol com a font de calor i radiació cap a l'espai profund com la seva font freda. Aquests sistemes podrien funcionar indefinidament, ja que no tenen cap moviment ni fluid que pugui sortir.
Els investigadors encara necessiten completar una configuració experimental per validar aquesta idea de disseny i comprendre millor la termo-acústica de sòlids tal com es va descobrir mitjançant càlculs matemàtics i modelització. Les possibles aplicacions i el rendiment d'aquests dispositius encara es troben en l'àmbit de l'especulació pura en aquest punt. Però el fenomen existeix i té el potencial d'obrir algunes indicacions notables per al disseny de dispositius termo-acústics.

Font: Revista de Física Aplicada