אולטרסאונד מקדם חומרי שינוי פאזה לאגירת אנרגיה

ככל שהביקוש העולמי לניהול אנרגיה יעיל גדל, חומרי שינוי פאזה (PCMs) זוכים לתשומת לב כפתרון רב־עוצמה לאגירת אנרגיה תרמית. חומרים אלה יכולים לקלוט ולשחרר כמויות גדולות של חום במהלך התכה והתמצקות, ולכן הם בעלי ערך ביישומים הנעים מבקרת אקלים במבנים ועד קירור סוללות ומערכות אנרגיה מתחדשת.
עם זאת, למרות תכונותיהם המבטיחות, חומרי שינוי פאזה רבים ניצבים בפני אתגרים מעשיים המגבילים את השימוש הנרחב בהם. חוקרים ומהנדסים פונים יותר ויותר לעיבוד אולטרסוני בהספק גבוה – המכונה גם סוניקציה – כדי להתגבר על מכשולים אלה ולממש את מלוא הפוטנציאל של חומרי שינוי פאזה.
עיבוד אולטרסוני מאפשר לייצר חומרי שינוי פאזה משופרים בתוספי ננו וחומרי שינוי פאזה המכומסים בקפסולות ננומטריות, משפר את יציבות הדיספרסיות ומסייע למטב את הביצועים התרמיים. כתוצאה מכך, סוניקציה מסתמנת כאחת הטכנולוגיות היעילות ביותר לייצור מערכות מתקדמות המבוססות על חומרי שינוי פאזה.

הומוגנייזר אולטרסוני UIP2000hdT לעיבוד חומרי שינוי פאזה

מדוע חומרי שינוי פאזה חשובים לאגירת אנרגיה

חומרי שינוי פאזה אוגרים אנרגיה בצורת חום כמוס, הנקלט במהלך ההתכה ומשתחרר כאשר החומר מתמצק. בניגוד לחומרים קונבנציונליים האוגרים חום באמצעות שינוי טמפרטורה בלבד, חומרי שינוי פאזה יכולים לאגור ולשחרר כמויות גדולות של אנרגיה בטמפרטורות כמעט קבועות.
תכונה זו הופכת אותם לאטרקטיביים מאוד עבור מערכות לניהול תרמי. במבנים, חומרי שינוי פאזה יכולים לווסת את הטמפרטורה בחללים הפנימיים באמצעות קליטת חום עודף במהלך היום ושחרורו כאשר הטמפרטורות יורדות. במערכות אנרגיה מתחדשת הם מסייעים לאגור אנרגיה תרמית מקולטי שמש. השימוש בהם הולך וגובר גם בקירור רכיבים אלקטרוניים, בניהול תרמי של סוללות ובהובלה מבוקרת טמפרטורה.
הידרטים של מלחים וחומרים אורגניים נמנים עם חומרי שינוי הפאזה הנחקרים ביותר. לדוגמה, מלח גלאובר (נתרן גופרתי דקאהידרט) עורר עניין רב בזכות אנתלפיית ההתכה הגבוהה שלו וטמפרטורת מעבר הפאזה המתאימה שלו. מאפיינים אלה מאפשרים לו לאגור כמויות משמעותיות של אנרגיה תרמית ביעילות.
עם זאת, מערכות רבות המבוססות על חומרי שינוי פאזה מציגות בעיות יציבות שיש לטפל בהן לפני שניתן יהיה להטמיען באופן נרחב.

האתגרים המתמשכים של חומרי שינוי פאזה קונבנציונליים

אף שחומרי שינוי פאזה יכולים לאגור כמויות גדולות של אנרגיה, ביצועיהם בפועל תלויים לעיתים קרובות במידת היציבות של החומר במהלך מחזורי חימום וקירור חוזרים. חומרי שינוי פאזה רבים סובלים מהיפרדות פאזות, מקירור־יתר ומיציבות ירודה של הדיספרסיות, וכל אלה עלולים לפגוע בביצועים התרמיים לאורך זמן.
במערכות המבוססות על הידרטים של מלחים, כגון מלח גלאובר, בעיות אלה בולטות במיוחד. היפרדות פאזות עלולה להתרחש כאשר רכיבים שונים נפרדים במהלך ההתכה, ואילו קירור־יתר עלול למנוע מהחומר להתגבש בטמפרטורה הצפויה. הדבר מעכב את שחרור החום ומפחית את יעילות המערכת.
בעיה נפוצה נוספת היא היווצרות צברים כאשר משלבים תוספים או ננו־חלקיקים בפורמולציות של חומרי שינוי פאזה. שיטות ערבוב קונבנציונליות אינן מצליחות לעיתים קרובות לפזר חלקיקים באופן אחיד, וכתוצאה מכך מתקבלות דיספרסיות בלתי יציבות והתנהגות תרמית לא עקבית.
כדי להתמודד עם מגבלות אלה, חוקרים מסתמכים יותר ויותר על עיבוד אולטרסוני, המציע שיטה יעילה ביותר לפיזור חומרים בקנה מידה מיקרומטרי וננומטרי.
 

כיצד סוניקציה משפרת את הפורמולציה של חומרי שינוי פאזה

סוניקציה מבוססת על תופעת הקוויטציה האקוסטית, המתרחשת כאשר גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה מתפשטים בנוזל. גלים אלה יוצרים בועות מיקרוסקופיות שקורסות במהירות, וכך נוצרים אזורים מקומיים של טמפרטורה, לחץ וכוחות גזירה קיצוניים.
תהליך זה יוצר תנאי ערבוב עזים שלא ניתן להשיג באמצעות ערבוב מכני מסורתי. כתוצאה מכך, סוניקציה יכולה לפרק צברי חלקיקים, להקטין את גודל החלקיקים ולפזר תוספים באופן אחיד בכל מטריצת ה-PCM.
מחקר ניסויי בפיזורי PCM מדגים כי ערבוב אולטרסוני יוצר צברים קטנים משמעותית ותערובות הומוגניות יותר בהשוואה לערבוב מגנטי, וכך משפר את היציבות ואת ההדירות.
שיפורים אלה משפיעים ישירות על הביצועים התרמיים, מכיוון שפיזור הומוגני מבטיח ששינוי הפאזה יתרחש באופן עקבי בכל החומר.

מדוע סוניקציה משפרת את יציבות ה-PCM

מחקרים מראים כי לשיטת הערבוב יש תפקיד מכריע בביצועי ה-PCM.
לדוגמה, ניסויים בפיזורי PCM המבוססים על הידרטים של מלחים הראו כי ערבוב אולטרסוני שיפר את ההומוגניות ואת היציבות בהשוואה לשיטות ערבוב מסורתיות

עיבוד אולטרסוני משפר מערכות PCM באמצעות כמה מנגנונים:

1. גודל חלקיקים קטן יותר
   כוחות הקוויטציה מפרקים גבישים גדולים או צברים לחלקיקים עדינים.
2. אחידות פיזור משופרת
   אולטרסאונד מבטיח שתוספים כגון חומרי התגרענות וחומרים מסמיכים יתפזרו באופן אחיד.
3. שקיעה מופחתת
   חלקיקים עדינים יותר נותרים בתרחיף זמן רב יותר.
4. ביצועים תרמיים טובים יותר
   מערכות הומוגניות מפגינות מעברי פאזה עקביים יותר ואגירת חום אפקטיבית גבוהה יותר.

חומרים משני פאזה משופרים בננו: שיפור המוליכות התרמית

אחת ההתפתחויות המלהיבות ביותר בחקר ה-PCM היא הופעתם של חומרים משני פאזה משופרים בננו (NePCMs). במערכות אלה משולבים ננו-חלקיקים במטריצת ה-PCM כדי לשפר את המוליכות התרמית ולהאיץ את העברת החום.
ננו-חומרים כגון גרפן, ננו-צינוריות פחמן ותחמוצות מתכת יכולים לשפר משמעותית את קצבי העברת החום. עם זאת, ננו-חלקיקים נוטים להצטבר לצברים עקב כוחות משיכה חזקים בין החלקיקים. אם צברים אלה אינם מפוזרים כראוי, לא ניתן להשיג את השיפורים הצפויים במוליכות התרמית.
לעיבוד אולטרסוני יש כאן תפקיד מכריע. כוחות הקוויטציה העזים הנוצרים בסוניקציה מפרקים צברי ננו-חלקיקים ומפזרים אותם באופן אחיד בכל ה-PCM. חומרי ה-PCM המשופרים בננו המתקבלים קולטים ומשחררים חום מהר יותר, ולכן יעילים הרבה יותר ביישומי אגירת אנרגיה תרמית.

ננו-כימוס: מניעת דליפה ושיפור העמידות

חידוש חשוב נוסף המתאפשר בזכות עיבוד אולטרסוני הוא ננו-כימוס של חומרים משני פאזה.
בחומרי PCM שעברו ננו-כימוס, החומר משנה הפאזה מוקף במעטפת מגן – העשויה לעיתים קרובות מפולימרים, מסיליקה או מחומרים היברידיים. מעטפת זו מונעת דליפה כאשר ה-PCM ניתך ומגינה על החומר מפני פירוק כימי.
סוניקציה מאפשרת לייצר תחליבים עדינים ביותר המשמשים בסיס למיקרו-קפסולות ולננו-קפסולות. התהליך יוצר טיפות אחידות שבהמשך יוצרות את ליבת ה-PCM, בעוד חומרי המעטפת עוברים פילמור או תגובת עיבוי סביבן. הקפסולות המתקבלות מתאפיינות בהתפלגויות גודל צרות וביציבות מכנית משופרת.
חומרי PCM מכומסים כאלה משמשים יותר ויותר ביישומים מתקדמים, ובהם טקסטילים חכמים, ציפויים, קירור אלקטרוניקה ומערכות לניהול תרמי.

שעוות פרפין כ-PCM: דוגמה מעשית לסוניקציה

חומרים אורגניים משני פאזה, כגון שעוות פרפין, נמצאים בשימוש נרחב בזכות יציבותם הכימית, אופיים שאינו גורם לקורוזיה וטמפרטורות ההתכה הנוחות שלהם. חומרים משני פאזה המבוססים על פרפין משמשים בדרך כלל בחומרי בניין, במערכות סולאריות תרמיות ובטכנולוגיות לוויסות תרמי.
עם זאת, גם שעוות פרפין סובלת ממוליכות תרמית נמוכה יחסית ועלולה ליצור טיפות גדולות או אגרגטים כאשר משלבים אותה בתחליבים או בחומרים מרוכבים. סוניקציה מציעה פתרון רב עוצמה לאתגרים אלה.
כאשר מעבדים שעוות פרפין באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה, כוחות הקוויטציה מפרקים את השעווה המותכת לטיפות זעירות ביותר ויוצרים תחליבים או דיספרסיות יציבים. כך ניתן לפזר את השעווה באופן אחיד בנוזל נשא או במטריצה פולימרית. הפורמולציות המתקבלות של החומרים משני הפאזה מציגות תכונות משופרות של העברת חום ויציבות מוגברת במהלך מחזורים חוזרים של שינוי פאזה.
עיבוד אולטרסוני נמצא בשימוש נרחב גם לייצור מיקרוקפסולות פרפין, שבהן טיפות שעווה מותכת מכומסות בתוך מעטפות פולימריות. קפסולות אלה מונעות דליפה במהלך ההתכה ומאפשרות לשלב חומרים משני פאזה המבוססים על פרפין בחומרי בנייה, בציפויים או בטקסטיל.

מדוע מכשירי הסוניקציה של Hielscher אידיאליים לעיבוד חומרים משני פאזה

ציוד אולטרסוני בהספק גבוה חיוני להשגת איכות הפיזור הנדרשת לפורמולציות מתקדמות של חומרים משני פאזה. Hielscher Ultrasonics הפכה לספקית מובילה של מעבדים אולטרסוניים הן למעבדות מחקר והן לייצור תעשייתי.
מערכות Hielscher מספקות שליטה מדויקת במשרעת האולטרסונית, בהספק המושקע ובמשך העיבוד, ומאפשרות לחוקרים לכוונן במדויק פורמולציות של חומרים משני פאזה תוך השגת הדירות יוצאת דופן. המעבדים האולטרסוניים שלהן יוצרים שדות קוויטציה חזקים ועקביים, המבטיחים הקטנה יעילה של גודל החלקיקים, פירוק אגלומרטים והומוגניזציה.
יתרון מרכזי נוסף של טכנולוגיית Hielscher הוא היכולת להגדיל את קנה המידה. ניתן להעביר תהליכים שפותחו במערכות מעבדתיות ישירות לריאקטורים אולטרסוניים תעשייתיים, וכך לאפשר ליצרנים לעבור מניסויים בקנה מידה קטן לייצור מסחרי מבלי לשנות את פרמטרי התהליך הבסיסיים.
מעבדים אולטרסוניים של Hielscher כבר שימשו במחקרים מדעיים להכנת דיספרסיות של חומרים משני פאזה, והדגימו את יעילותם ביצירת תערובות הומוגניות ובהקטנת אגרגטים של חלקיקים.

התקדמות בפיתוח חומרים משני פאזה באמצעות סוניקציה

ככל שמערכות האנרגיה מתפתחות והביקוש לאגירה תרמית יעילה גדל, חומרים מתקדמים משני פאזה ימלאו תפקיד חשוב יותר ויותר. ביצועיהם של חומרים אלה תלויים לא רק בהרכבם הכימי אלא גם בשיטות המשמשות להכנתם ולעיבודם.
עיבוד אולטרסוני מספק כלי רב עוצמה ורב תכליתי לשליטה במיקרומבנה של מערכות חומרים משני פאזה. באמצעות יצירת דיספרסיות אחידות, שילוב ננו-חלקיקים וכימוס בקנה מידה ננומטרי, סוניקציה מסייעת להתגבר על רבות מהמגבלות שעיכבו באופן מסורתי טכנולוגיות של חומרים משני פאזה.

עיבוד אולטרסוני הופך במהירות לטכנולוגיה מאפשרת מרכזית עבור הדור הבא של חומרים משני פאזה, ובהם:

• חומרים משני פאזה המשופרים באמצעות ננו-חלקיקים
• חומרים משני פאזה המכומסים בקנה מידה ננומטרי
• חומרים מרוכבים משני פאזה בעלי מוליכות תרמית גבוהה
• תחליבים ודיספרסיות יציבים של חומרים משני פאזה

מכשירי הסוניקציה עתירי הביצועים של Hielscher, המיועדים לשימוש תעשייתי, מאפשרים הגדלה ליניארית של קנה המידה עד לייצור בהיקף גדול – ובכך הופכים חומרים משני פאזה מחומרי מעבדה מבטיחים לפתרונות אמינים לאגירת אנרגיה ולניהול תרמי מודרניים.

ספרות / מקורות

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.